Структура металла и хрупкость стальных изделий

где 7?мсе — сопротивление микросколу, вызванное хрупким распро­ странением субмикротрещины внутри зерна поликристалла в струк­ туре, деформированной на степень е\ е — истинная деформация;

аек — локальное напряжение деформационного упрочнения в месте максимальной концентрации пластической деформации под дефек­ том.

В случае, когда выполняется закон деформационного упрочне­ ния ое = Аеп1 справедливо следующее соотношение:

ек

где Ке = —----- коэффициент концентрации пластических деформа­

ций. На упругом участке кривой деформирования ак = Kto> на плас­

тическом участке оек = КеОе. Как видим, Ке можно рассматри­

вать как концентратор напряжения в области пластических деформа­ ций металла К* = Kt. Значение Kt связано с Kt и хотя вид этой зависимости неизвестен, очевидно, что Kt < Kt. Если запас вяз­

кости материала достаточно высок, то локальная деформация в ок­ рестности концентратора сольется с макроскопической деформацией образца и микроскола не будет. В противном случае все зависит от того, что произойдет раньше — локальный вязкий микроскол под

концентратором Kt или потеря устойчивости пластической деформа­

ции в результате образования шейки как на гладком образце при е = ер и а = ав (ер — предельная равномерная деформация образ­ ца при растяжении; ав — предел прочности) (рис. 9.9). Допустимый

2 0 1

концентратор напряжений в пластически деформированной зоне

Kt, достаточный для того, чтобы локальный вязкий микроскол реа­

лизовался лишь после достижения предела прочности4 можно оце­ пить по формуле

<j <С ств, е <С ер произойдет только в том случае, когда локальное на­ пряжение деформационного упрочнения под дефектом аек при воз­

Если выполняется закон деформационного упрочнения

оек = А (/а д 71,

то условие (9.7) для средних деформаций е < ер примет вид

AKnee l > S K.

Подставив выражение (9.6), получим

преждевременным разрушением от концентратора с критическим значением коэффициента

Следовательно, опасность для изделия представляют не любые концентраторы напряжений, а только достаточно сильные, удовлет­ воряющие условию (9.10). Чем выше соотношение между S K и SB

по (9.9), т. е. чем сильнее темп деформационного упрочнения металла в шейке, тем менее опасны для такого материала царапины и дефекты. Физической причиной этой опасности является, как видели, возмож­ ность пересечения кривой деформирования стали с кривой деформа­ ционного изменения сопротивления микросколу R MCe в точке оек

(рис. 9.9), где реализуется условие вязкого микроскола под концен­ тратором раньше, чем общая деформация изделия под нагрузкой до­ стигнет своего предела ер. Однако вследствие того, что при достаточ­ но больших деформациях (е > 1) снижение R uce прекращается при­

мерно на уровне 1,2/?мс, имеются условия, при которых вязкий мик­ роскол невозможен. Это может случиться, если кривая аек пройдет

2 0 2

ниже минимального значения R me (рис. 9.9). Следовательно, у ста­

ли с достаточно низким пределом текучести сгт вязкий микроскол

не возникнет таже, когда Kt ;> К* (по (9.10)). Условие отсутствия вязкого микроскола при любом Kt

Таким образом, для материала с запасом вязкости большим, чем

К в, слабый концентратор с любым Kt не опасен, если жесткость /

от него остается порядка единицы. Выражения (9.11) и (9.12) являют­ ся критериями достаточной пластичности для материала, не подвер­ женного охрупчивающему влиянию слабых концентраторов. В слу­

С целью проверки охрупчивающей роли слабых концентраторов по критерию (9.14) были выполнены эксперименты на малоуглеро­ дистой отожженной стали 3 со специально выращенным ферритным зерном большого размера (d « 85 мкм, R Mс » 58 даН/мм2) для того,

чтобы обеспечить реализацию хрупко-вязкого перехода на цилинд­ рических образцах в области температур выше —196 °С. Исследова­ лись три серии образцов с различным уровнем шероховатости поверх­

5 К, ф, Кв приведены на рис. 9.10. Можно отметить, что в области

вязких разрушений качество поверхности не влияет на стандартные механические характеристики. Лишь температура резкого падения

203

пластичности (Ф) сдвигается вправо: если для образцов серии А хруп­ кость достигается при —150 °С, то для серии В с классом чистоты R z 300 охрупчивание отмечается уже при —120 °С. Таким образом, слабый концентратор (Kt = 2,6) в виде мелкой резьбы не оказал

охрупчивающего воздействия на металл при комнатных температу­ рах. Запас пластичности стали в этом случае оказался достаточно высоким для того, чтобы условие локального микроскола под резь­ бовой впадиной не смогло реализоваться раньше, чем начнет образо­

(рис. 9.10, точка А) пересекает кривую S K гладкого образца. В хо­

рошем соответствии с этим на опыте наблюдается резкое падение пластичности (г|э) образцов с резьбой при Гхр « —100 °С.

На другой серии образцов диаметром 10 мм со стандартной резь­ бой М10х 1,5 критерий охрупчивания (9.14) оказался выполненным уже при + 20 °С, а по мере понижения температуры усиливалось условие (9.14). Испытания образцов с резьбой (индекс «р») обнару­ живали потерю пластичности при разрушении (яр), все более прогрес­ сирующую по мере снижения температуры испытания (рис. 9.11). Как видим, опыт подтверждает пригодность критерия в виде (9.14) для быстрой оценки склонности стали к потере пластичности при на­ личии слабого концентратора. Условие (9.14) может быть уточнено в отношении коэффициента 1,2, который должен определяться для каждой стали в отдельности. Однако в любом случае его значение не может выходить за пределы 1,0—1,3.

Несмотря на то, что в упомянутом выше эксперименте (серия Б)

эффект шероховатости не повлиял

Рис. 9.10. Сопоставление механических свойств стали 3 с различным состоя­ нием поверхности:

1 — полированная поверхность; 2 — грубая токарная обработка; з — нарезка мелкой

винтовой резьбы.

Рис. 9.11. Изменение механических свойств и положения линий критерия (9.14) для стали 3 (индекс «г» относится к гладким образцам, индекс «р» — с нарезной резьбой).

204

Г Л А В А 10

РОЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ Кл В ПОВЫШЕНИИ НАДЕЖНОСТИ И СНИЖЕНИИ

МЕТАЛЛОЕМКОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

§ 10.1. Надежность как мера стойкости против действия концентраторов напряжений

Понятие надежности в современной технике приобрело настолько важную роль, что возникла самостоятельная специальная область науки, занимающаяся этой проблемой. В общем смысле суть надеж­ ности заключается в исключении преждевременных или непредви­ денных отказов соответствующих изделий. В основу расчетов надеж­ ности положен закон вероятностного распределения отказов. Приме­ нительно к материаловедению надежность — это «свойство материа­ лов выполнять свои функции, сохраняя установленные характерис­ тики в определенных пределах в течение заданного времени в данных условиях эксплуатации» [118] — один из основных комплексных показателей качества материала. В данном случае важно то, что надежность как показатель качества материала в изделии растет с увеличением однородности материала и уменьшением чувствитель­ ности к концентрации напряжений [118]. Под таким углом зрения рассмотрим понятие надежности подробнее в настоящем параграфе.

Две актуальные технические проблемы современного машино­ строения — повышение надежности и снижение материалоемкости

визделии — тесно связаны между собой, но противоречивы. Их вза­ имная противоречивость обусловлена тем, что использование высоко­ прочных конструкционных материалов в качестве предпосылки сни­ жения веса изделий трудно сочетать с требованиями повышения на­ дежности из-за большей их чувствительности к действию разного рода концентраторов напряжений, присутствия которых избежать в металле почти невозможно. К ним относятся в первую очередь труднообнаруживаемые микроконцентраторы, создаваемые металлургиче­ скими дефектами технологического происхождения, возникающими

впроцессах литья, ковки, прокатки, сварки и других видов об­ работки металлов. Сюда же относятся и слабые концентраторы, соз­ даваемые шероховатостью поверхности, а также известные кон­ структивные концентраторы — отверстия, выступы, галтели и, наконец, макротрещины усталостного или иного происхождения, ко­ торые могут оказаться за пределами разрешающей способности тех или иных методов дефектоскопии. С присутствием такого рода неви­ димых концентраторов приходится считаться как с неизбежной ре­ альностью, и задача поэтому сводится к тому, что если нельзя пол­ ностью избавиться от этих несовершенств в изделиях1 то надо хотя

206

материала в связи с отсутстви­ ем ясного понимания его физической, т. е. микроскопической*

природы. Такое положение породило большое разнообразие и многочисленность стандартных и нестандартных характеристик* используемых на практике для оценки свойств пластичности и вяз­ кости металлов: б, ф, ан, ат.у, К\с и др. Кроме этих характеристик

в инженерной практике широкое распространение получили также различные технологические пробы — на загиб, перегиб, скручива­ ние, глубокую вытяжку, высадку и т. п. Каждая из таких характе­ ристик является некоторым показателем запаса пластичности мате­ риала, но таким показателем, который отражает способность выдер­ живать пластическое деформирование лишь при данном конкретном способе нагружения. Взаимные корреляции между различными ха­ рактеристиками нередко оказываются нарушенными из-за специфич­ ности условий развития разрушения при каждом виде испытания.

Совершенно очевидно, что необходимое физически обоснованное понимание свойства вязкости металла может быть получено лишь на базе такой характеристики, которая непосредственно вытекала бы из самого микромеханизма процесса деформирования и разрушения* реализующегося при любом виде испытаний металла. По нашему мнению, такой основой для многих из применяемых методов испыта­ ния может служить развиваемая в настоящей монографии модель микроскола, позволяющая объяснить физический смысл ряда наибо­ лее важных механических характеристик металла и, в частности, та­ кой характеристики вязкости, как относительное поперечное суже­ ние при разрыве ф (см. § 8.1). Однако значение и содержание ф как характеристики вязкости ограничены рамками одноосных испытаний при сравнительно небольших уровнях ЖНС, возникающих в шейках разрываемых образцов: j ж 1,3—1,6 (рис. 7.7). Фундаментальной характеристикой вязкости сталей может служить Ка = Лмс/<JT с

2 0 7

большей общностью в сравнении с любым традиционным показате­ лем пластичности, поскольку микроскол лежит в основе подавляю­ щего большинства процессов разрушения сталей, в том числе и таких, которые стимулированы действием концентраторов напряжений (гл. 8). В гл. 9 (см. §9.2) были рассмотрены экспериментальные данные по влиянию К в на степень охрупчивания стали под воздействйем

макроконцентратора в виде кольцевой выточки, мерой охрупчивания служит отношение Ов/сгт. (рис. 9.8). Эффект снижения надежнос­ ти материала под действием концентраторов напряжений проявля­

ется в тем большей степени чем Ов/ат «< 1. При Ов/ат ^ 1 сталь обладает устойчивостью к действию концентратора данной силы. Потерю несущей способности нагруженного элемента, вызванную реализацией хрупкого микроскола, можно рассматривать как эф­ фект отказа, свидетельствующий о пониженной надежности материа­ ла в данных условиях. Обеспечение требуемой несущей способности изделия, содержащего крупный трещиноподобный дефект, достигает­ ся средствами механики разрушения на основе критериев трещиностойкости материала Kic, J ic, 6К[6, 8, 25]. Особенностью крупных

дефектов является то, что создаваемая ими область концентрации напряжений соизмерима с рабочим сечением элемента изделия. В от­ личие от этого мелкие дефекты не ослабляют в заметной степени ра­ бочее сечение, но, создавая в своей окрестности повышенную локаль­ ную ЖНС, являются потенциальными очагами зарождения разруше­ ния, способными резко понизить силовую надежность изделия. Из предыдущих глав известно, что микромеханизмом такого иницииро­ вания разрушения всегда (кроме пластического разрыва, вызванно­ го ростом и слиянием пор) служит микроскол — хрупкий или вяз­ кий. Следовательно, рассмотрим такие малые, но достаточно сильные концентраторы в металле как возможные очаги микроскола. Для этого необходимо, чтобы несмотря на малость размеров такого де­ фекта в зоне его локальной пластичности размером гп (рис. 10.1) разместилось достаточное количество зерен металла, во всяком слу­ чае не менее одного целого зерна (см. § 8.2 и 8.3). Это зна­ чит, что такими дефектами не могут быть обычные неметаллические включения, размеры которых намного меньше размера зерна, но мо­ гут быть крупные шлаковые включения размером порядка 1 мм, а также непровары, небольшие трещины и другие дефекты, встре­ чающиеся в сварных швах или в прилегающей к ним зоне.

Сила концентратора оценивается двумя показателями: теорети­ ческой концентрацией напряжений Kt, зависящей в основном от tip (t — длина дефекта, р — радиус кривизны в его вершине), Kt ж

»У Щ -, И наибольшей жесткостью напряженного СОСТОЯНИЯ /max,;

создаваемой полем напряжений в окрестности дефекта на расстоянии а « 9р от вершины (рис. 10.1). Вторая из этих двух характеристик

/шах — более важная, поскольку /шах непосредственно определяет условие микроскола. Относительная острота дефекта tip и Kt важны

лишь в том отношении, что от них зависит создаваемая дефектом жест­ кость /щахг хотял согласно данным Л. А. Копельмана [58]А по мере

208

увеличения остроты дефекта 2/р/т ах увеличивается медленно, асимп­ тотически приближаясь при t!р оо к предельному значению /тах » » 2,6 (рис. 9.1). Это значит, что ни для какого мелкого дефекта в из­

делии локальная ЖНС не может быть больше предельного значения,; равного 2,6. Силовая надежность изделий в смысле подверженности

хрупкому разрушению под действием концентратора прямо пропор­

тем более острый дефект может быть безопасным для данного мате­ риала. Следовательно, для сталей с запасом вязкости ЙГВ>> 2,5 по­ давляющее большинство существующих в металле дефектов не пред­ ставляют опасности. Иными словами, повышение пластических свойств материала, выражающееся в увеличении коэффициента Кв

до 2,5, должно резко повысить его сопротивляемость охрупчивающему действию необнаруживаемых микро- и макроконцентраторов. Это особенно важно для обеспечения надежности сварных швов, где су­ ществует определенная вероятность присутствия шлаковых включе­ ний, локальных непроваров и других дефектных мест, служащих кон­ центраторами напряжений. Следует уточнить понятия микро- и мак­ роконцентраторов. Исходя из размерной классификации дефектов можно сказать, что в основе различия микро- и макродефектов дол­ жны лежать не абсолютные размеры, а их соотношение с размерами характерных элементов структуры, ответственных за реализацию микроскола. Известно, что такими элементами структуры могут быть зерна или пакеты мартенсита, разделенные высокоугловыми грани­ цами. Для того чтобы присутствие дефекта могло повлиять па воз­ никновение микроскола, необходимо, чтобы в области эффективного действия концентратора находилось не менее чем одно зерно. Поскольку размер области концентрированных напряжений пример­ но на порядок меньше длины дефекта, то стимулирующее влияние дефекта на реализацию локального микроскола оказывается возмож­

Дефекты, удовлетворяющие условию (10.2), можно рассматривать как макроконцентраторы, хотя их абсолютные размеры для мелкозер­ нистых структур могут оказаться весьма малыми. Например,; шлако­ вое включение диаметром 100 мкм уже может стимулировать микроскол для стали с размером зерна (или пакета) менее 10 мкм. Несмотря на микроскопические размеры такой концентратор в состоянии вы­ звать вполне макроскопический эффект понижения несущей способ­ ности стали с уровнем вязкости ниже критического по (10.1): К в ^

^ Мах- По-видимому, такой малый концентратор для данного ма­ териала может рассматриваться как макродефект. С другой стороны,, любые, даже довольно крупные дефекты, удовлетворяющие условию

менее опасно, поскольку их зона пластичности гп слишком мала для реализации микроскола в ее пределах. Надлежащее увеличение г„ возможно лишь при нагрузках, близких к состоянию общей текучес­ ти материала. Подобные микроконцентраторы остаются опасными как возможные источники, стимулирующие зарождение усталостной тре­ щины при циклическом нагружении.

Такое пояснение позволяет уточнить характер металлурги­ ческих дефектов, представляющих реальную опасность для нагружен­ ных элементов изделий. Надежность стального изделия связана непо­ средственно с вероятностью присутствия в нем дефекта, обладающе­

Дефекты с параметрами ниже критических будут безопасными. Та­ ким образом, характеристика К в оказывается непосредственно свя­

занной с силовой надежностью материала в изделии.

В качестве примера рассмотрим влияние параметра К в на сопро­

тивляемость лавинному разрушению магистрального трубопровода, предназначенного для транспортировки газа под большим давле­ нием. Лавинный характер разрушения газопроводов обусловлен действием гриффитсовского эффекта выигрыша энергии при движе­ нии трещины вдоль трубопровода со скоростью, превышающей ско­ рость волны декомпрессии газа, вызванной его утечкой в разорванной части магистрали. Остановить такую трещину на коротком расстоя­ нии от начала разрыва очень трудно, и нередко зона разрушения рас­ пространяется на несколько километров с катастрофическими послед­ ствиями [74]. В связи с тем что возникновение лавинного разрушения в большинстве случаев связано с наличием дефектов в стали или сварных швах, по-видпмому, разумнее попытаться предотвратить за­ рождение лавинного разрушения, чем изыскивать средства для его остановки. Такая задача может получить конкретную постановку со­ гласно развитым представлениям о микросколе в окрестности дефек­ та как первичном источнике лавинного разрушения. Пусть в мате­ риале могут встречаться дефекты с жесткостью сопутствующего им напряженного состояния не превышающей ;. Если запас пластич-

2 1 0