Структура металла и хрупкость стальных изделий

ранних стадиях пластического деформирования, т. е. раньше потери устойчивости из-за образования шейки. Как видим, вследствие ма­ лости значений равномерных пластических деформаций ер это до­

« 1,25.

Таким образом, при выполнении условия (10.40) конструкционная прочность изделия определяется локализацией текучести (образова­ нием шейки) и не подвержена охрупчивающему влиянию концентра­

торов. Цоэтому а‘в может быть рассчитана по критериям текучести или прочности в CHG ((10.23) или (10.33)), при этом максимально возможным значением конструкционной прочности может быть Ов =

= jRMce» где Имсе — сопротивление микросколу стали при макси­

мальной степени равномерной деформации материала в данном на­ пряженном состоянии, но поскольку обычно эти деформации невели­ ки, то

Таким образом, сопротивление микросколу R ac может служить ме­

рой предельного значения конструкционной прочности материала в

изделии. Фактические значения Ов редко достигают этого предель­ ного значения по одной из двух причин: 1 ) для вязкого материала (i?MG <тт) предельное состояние его в изделии обусловливается те­ кучестью и Ов <С Дмс в соответствии с критериями (10.23) и (10.33);

Избежать вредного действия поверхностных концентраторов мож­ но двумя путями: либо тщательной полировкой поверхности, либо локальным повышением коэффициента вязкости Кв материала в

тонком поверхностном слое. Для этого достаточно снизить уровень прочности (ат) стали в слое, на который распространяется глубина зоны локальной деформации от концентратора (например, 0 ,1 мм). При деформировании такого двухслойного материала критерий микроскола раньше реализуется не в разупрочненном поверхностном слое, где К ъ достаточно высок, а во внутреннем, высокопрочном, но

лишенном поверхностных дефектов слое, что позволяет повысить зна­ чение а" до уровня Д мс, т. е. в Kt раз больше высокого. Метод по­

верхностного обезуглероживания как средство повышения несущей способности (конструкционной прочности) цилиндрических стержне­ вых элементов с выточкой (надрезом) из закаленных низкоотпущенных сталей подробно обосновал Г. В. Ужик [57], он используется в

инженерной практике для повышения надежности ответственных изде­ лий из высокопрочных конструкционных сталей.

Итак, физическая теория в настоящее время позволяет дать коли­ чественную интерпретацию как самому понятию конструкционной прочности, так и предельным значениям этой важной технической ха­ рактеристики. Исходя из изложенного выше можно остановиться на следующем определении конструкционной прочности: конструк­

ционная прочность Ов — это прочность материала в изделии, вы­ раженная номинальным напряжением, при котором нагруженный элемент теряет несущую способность в данном напряженном состоя­ нии вследствие реализации общего или локального микроскола или развития общей текучести. Здесь мы попытались показать, как мож­ но оценить значение этого напряжения ojj, исходя из основных по­ ложений физики микроскола. Разумеется, в этом определении не от­ ражены такие специфические случаи выхода изделий из строя, как предельный износ, коррозионное повреждение и пр., в которых кри­ терии отказа могут не иметь силовой формулировки, а выражаться параметрами другого рода.

Данное определение не только конкретизирует понятие как количественно измеряемой характеристики, но и позволяет ставить практические задачи по повышению конструкционной прочности из­ делий путем целенаправленного изменения структуры металла, ра­ ционализации требований технологии металлообработки в сочетании с оптимизацией важнейших параметров прочности стали и соответ­ ствующих конструктивных решений.

§ 10.5. Оптимизация параметров прочности конструкционной стали

Многообразие применяемых в технике сталей обусловлено разли­ чием служебных функций стальных изделий, диктующих соответ­ ствующий комплекс требуемых механических свойств. Однако надежность как показатель безотказности работы изделия остается неизменным требованием к качеству изделия, независимо от его кон­ кретного назначения. Устойчивость к охрупчивающему действию де­ фектов является одним из важнейших признаков качества конструк­ ционного материала, обеспечивающим надежность несущего элемента конструкции. В данном случае имеется в виду чисто силовая часть надежности изделия, не охватывающая такие специальные виды от­ казов, как износ, коррозионное или усталостное разрушение. Физи­ ческая теория хрупкости стали в изделиях позволяет сформулиро­ вать критерии нечувствительности материала к дефектам на основе требований к структуре и свойствам стали, установить оптимальные соотношения между различными механическими характеристиками. Частным, но чрезвычайно важным в практическом отношении случа­ ем чувствительности стали. к дефектам является хладноломкость стальных изделий, причиной которой служит не хрупкость материа­ ла при температуре эксплуатации а уменьшение его запаса вязкос­

242

ти ниже некоторого порогового значения при снижении темпера­ туры.

В § 9.2 было показано, что запас вязкости стали, оцениваемый коэффициентом К в, должен быть не менее 2,5, чтобы сталь была прак­

тически нечувствительна к концентраторам. Попытаемся найти со­ отношения между различными прочностными параметрами стали, обеспечивающими ей требуемый запас вязкости.

Распишем подробнее условие Кв = 2,5:

Следовательно, сопротивление движению дислокаций внутри кри­ сталлических зерен металла ст0 не должно быть больше 0,3i?MCдля то­ го, чтобы обеспечить хороший запас вязкости стали.

Отсюда может быть получено и другое полезное соотношение.

Согласно (10.47) требованием к параметру сг0 является его оптималь­ ная доля в пределе текучести, т. е. вклад дислокационного и гетеро­ генного упрочнений в общую прочность стали не должен быть слиш­ ком большим, чтобы не привести к потере вязкости. В параметре ко,

играющем важную роль в физическом критерии текучести (2.49), фактор а0 оказывает наибольшее влияние на изменение формы кривой предельных состояний при снижении температуры или увеличении прочности стали. Хотя условия (10.45) и (10.47) полностью определя­ ют требования, обеспечивающие вязкое состояние стали, все же ис­ пользование параметра о0 представляет некоторые неудобства, по­ этому желательно было бы получить эти условия через другие, более доступные в практической работе характеристики. В § 10.4 была по­ казана схема расчета, приводящего к определению оптимального за­ паса вязкости Кв опт (10.40), обеспечивающего достижение макси­

мальной конструкционной прочности тонкостенной трубы. Оценка по (10.40) показала, что Кв опт « 1,25. Более высокий запас вязкости

окажется излишним, если сталь не содержит никаких концентрато­

скольку всякий концентратор характеризуется двумя основными пара­ метрами: степенью ЖНС у его вершины/тах (рис. 10.1) и коэффициен­ том концентрации упругих напряжений K t, то и соответствующих

критериев безопасности должно быть два. Первый из них — крите­ рий достаточной вязкости Кв >• /тах (10.1) или К ве min > 7тах

(7.28) уже подробно рассматривался выше и позволил сформулиро­ вать идею оптимизации коэффициента запаса прочности по фактору дефектности стали в зависимости от К в (рис. 10.3). Но в зоне плас­

тичности у острия дефекта деформация и жесткость распределены очень неоднородно — в области 7тах У границы упруго-пластической зоны (рис. 1 0 .1 ) деформация мала, тогда как у самой вершины трещи­ ны, наоборот, жесткость близка к единице, а локальная деформация может достигать очень больших значений. Поэтому второй критерий следует искать в условиях микроскола у самого острия трещины. Разумеется, здесь возможен только вязкий микроскол, возникаю­

Условие вязкого микроскола удобно представлять графически в ло­ гарифмических координатах, где зависимость деформационного уп­

рочнения сталей ое = Аеп представлена в виде прямых линий, на­

клон которых соответствует показателю деформационного упрочне­

244

микроскол невозможен, пока неизвестно, поскольку в эксперименте модель вязкого микроскола подтверждалась в виде правильно пред­ сказанных значений предельной пластичности сталей до ф да 70 % (табл. 7.2), что соответствует истинной деформации е « 1,2, несмот­

ря на то, что при таких деформациях в шейках образцов определенно наблюдается образование большого количества пор [123]. По-види­ мому, граница перехода от вязкого микроскола к пластическому сре­ зу наблюдается на более высоких деформациях, поэтому критиче­ скую точку М на рис. 10.9 поместим при деформации е = 1,6. Если

выбранная критическая деформация окажется завышенной, то ее излишек пойдет в дополнительный запас надежности. Деформации

логарифмической шкале напряжений и деформаций рис. 10.9 неболь­ шая неточность в определении действительных координат точки М

вполне допустима, так как не ведет к существенным погрешностям в расчетах. Линия упрочнения стали, например прямая 4, проходя­

щая через точку М, отражает то обстоятельство в физике рассматри­ ваемых процессов, что сталь, обладающая данным запасом вязкости (Кв = 2) при интенсивности деформационного упрочнения, превы­ шающей наклон прямой 4, может разрушаться по механизму микро­

скола, и, следовательно, подвержена чувствительности к концентра­ торам напряжений. Конечно, концентратор должен быть достаточно сильным, чтобы локальная деформация у его острия достигла кривой R KCe (например, в точке 5' для стали 5). Другая сталь с таким же

запасом вязкости, но с меньшим показателем деформационного упроч­ нения п (прямая 2) вообще не подвержена опасности микроскола, по­

этому ситуация у острия дефекта для нее не может быть критической. Безопасность от концентратора обеспечивается условием К ве >• 7тах.

Отсюда понятно, что между параметрами Кв шп существует кор­

реляционная связь, которую можно построить в виде графика К в — л, проведя определенное количество лучей из точки М на ось ординат, определяя каждый раз соответствующие значения Кв и тан­ генс угла наклона лучей, равный показателю п (рис. 10.10). По смыс­

лу построенный график определяет критерий достаточной пластич­ ности Кв min — для стали с данным показателем п. Таким обра­

зом, для обеспечения полной дефектостойкости стали необходимо придать ей определенный комплекс механических свойств, по которо­

коэффициента КВ1 можно формулировать требования к параметру деформационного упрочнения п, который должен быть не больше критического значения согласно рис. 10.10. Например, при п =

= 0,27 сталь может быть нечувствительной к дефектам только при высокой вязкости — К в ^ 4 (рис. 10.9, прямая 3). По мере умень­ шения п достаточными оказываются все меньшие запасы вязкости

стали. Как видим, склонность стали к деформационному упрочне­ нию — чрезвычайно важный фактор, в сочетании с К в целиком опре­

деляющий ее чувствительность к действию концентраторов напря-

246

жений. Проведенный выше анализ показывает, как этот вывод может быть конкретизирован в форме количественных соотношений. Заме­ тим, что на рис. 10.9 кривая 6 ограничивает уровень минимального запаса вязкости Кв = 1,25, обеспечивающего отсутствие хрупкости лишь для сталей с очень небольшим показателем упрочнения п <С <1 0,1. По-видимому, такой уровень К в в сталях следует считать пре­

дельно низким донустимым запасом вязкости вообще. Показатель­ но, что этот вывод находится в соответствии с оптимизированным зна­ чением коэффициента К в 0пт по (10.40), обеспечивающим макси­

мальное значение конструкционной прочности трубы. Исходя из рис. 10.9 несложно получить критерий достаточной пластичности в аналитическом виде. Действительно, семейство прямых, проходящих через точку М , выражается уравнением прямой линии1 в которое подставлены координаты точки М :

Формула (10.51) является аналитическим выражением переменной части зависимости, приведенной на рис. 1 0 .1 0 и служит критерием достаточной пластичности стали при условии л 0,07. По (10.50) или (10.51) можно предъявлять оптимальные требования к парамет­ рам К в и л сталей, содержащих малые концентраторы с любым Ки

при /д а 1. Но легко видеть, что при наличии повышенной жесткости положение всех кривых на рис. 10.9 останется неизменным, если вместо К в использовать обобщенный параметр вязкости в виде

На рис. 10.9 это означает параллельный перенос прямых вверх в со­ ответствии с отношением K J j, а критерий (10.51) имеет вид

Как видим, на рис. 10.10 график применим и для определения усло­ вий достаточной пластичности при наличии концентраторов с жест­ костью /, но тогда в качестве параметра вязкости металла использу­ ется Кв эфф по (10.52). Локальная жесткость у концентратора неодно­ родна, в общем случае Кв Эфф по (10.52) различен для разных точек

пластически деформированной зоны, где к тому же вместо исходного значения К в следует рассматривать его аналог для деформированного

247

материала К ве = R MCefое (7.6), тогда по (10.52) имеем

где /пл — ЖНС в данной точке пластически деформированной зоны. С учетом сказанного графический анализ ситуации микроскола в зоне пластичности у концентратора в сравнении со схемой на

рис. 10.9 изменится незначительно. У самого острия трещины, где жест­ кость 7 ^ 1 , линия деформационного упрочнения ое представляется в виде прямой A M (рис. 10.11). Тем самым мы предполагаем, что сталь

не подвержена действию слабых концентраторов. Но по мере удале­ ния от вершины трещины ЖНС растет (рис. 10.1) и в месте, где / = = /тах> линия деформационного упрочнения БН пройдет выше AM .

Наиболее опасен в смысле реализации микроскола именно началь­ ный участок деформирования в пределах до е » 0 ,1 , но вследствие малости этой деформации незначительным падением жесткости вблизи границы упруго-пластической зоны пренебрегаем, потому линию Б Н можно провести почти параллельно AM . В случае касания ли­ нии /плае в точке Н рассматриваемый дефект вызывает локальный

микроскол, тем самым сталь оказывается подверженной преждевре­ менному разрушению, стимулированному присутствием трещины.

Если линия упрочнения в пластически деформированной зоне в месте с наибольшей жесткостью пройдет немного ниже точки Н } то дальнейшая ситуация зависит от характера изменений парамет­

ров жесткости и степени деформаций в зоне пластичности. Не зная пока точного решения этой сложной задачи, можно лишь с опреде­ ленностью различать два предельных случая. В связи с тем что в зо­ не больших деформаций вблизи острия жесткость 7'пл падает, после

Рис. 10.10. Критическое соотношение параметров /Св и л, обеспечивающее от­

сутствие чувствительности стали к любым слабым концентраторам напряжений

(i « 1):

1 — зона достаточного запаса вязкости стали (Кв > Кв mjn); 2 — зона недостаточного запаса вязкости (Кв < Кв min).

Рис. 10.11. Схема влияния ЖНС /пл в зоне пластичности у концентратора на возможность реализации микроскола:

1 — деформация у вершины трещины етах < 1,6; 7ПЛ«1, микроскол невозможен; 2 етах > >1,6, микроскол возможен внутри зоны пластичности, где ;пл > 1.

248

точки Н кривая упрочнения должна по мере роста е сближаться с прямой AM . Если закономерность этих изменений отображается хо­ дом линии 1, это будет означать, что ни в одной точке пространства

пластически деформированной зоны у трещины вязкий микроскол не реализуется и в таком материале присутствие трещины не вызовет разрушения изделия раньше общей текучести материала. Но возмо-- жен и другой случай. Если зона пластичности у трещины велика, область с достаточно большой степенью деформации может находить­ ся на таком удалении от вершины трещины, где жесткость ;пл будет весьма заметной. Тогда кривая ;плае на рис. 10.11 вполне может пой­ ти по линии 2 и вызвать локальный микроскол в точке Т. Как видим,

в общем случае задача выбора параметров прочности стали, гаранти­ рующих ее от охрупчивания большими трещинами, еще далека от разрешения, но для мелких дефектов, а также слабых концентраторов (; « 1) физические критерии достаточной пластичности можно по­ лучить (10.55).

Используя критерий (10.55), легко уточнить предельные положе­ ния кривых 2 и 3 на рис. 1 0 .2 , схематически показывающих сниже­

ние допустимых напряжений в материале с дефектами по мере умень­ шения запаса вязкости Кв. Поскольку, как мы видели, предельное значение К в, достаточное для обеспечения дефектоустойчивости ма­

териала, зависит не только от жесткости ;, но и от показателя дефор­ мационного упрочнения стали /г, то согласно (10.55) для каждого де­ фекта должна быть серия предельных значений Кв в соответствии с различиями параметра п. На рис. 10.12 показан примерный ход кри­

вых, описывающих изменение опасных напряжений в материале с де­ фектом (жесткость; = 2) для стали с различным п. Предельные значе­ ния Кв в точках Г —3' рассчита­

ны по (10.55) соответственно для

Рис. 10.12. Изменение зоны безопасных нагружений материала с концентратором /шах = 1»9 для сталей с различным темпом деформационного упрочнения:

1 — л = 0,1; 2 — п = 0,3; з — п = 0,5.

Рис. 10.13. Зависимость напряжения течения стали в шейке S0 = S j L от де­ формации е в момент разрыва при одноосном растяжении:

1 — кривая Ямсе/Ямс; 2 — кривая S0 (теоретический расчет по (7.21)); з — кривая, усредня­

ющая экспериментальные значения для S0в шейках разорванных образцов различных сталей. Лучи из точки М — линии упрочнения для сталей А, Б и Л с предельно большим показателем пв, исключающим чувствительность к дефектам.

249

ч = 0,1; 0,3 и 0,5. Учитывая, что показатель никогда не бывает боль­ ше 0,5, кривую 3 можно принять в качестве предельной кривой опас­

ных напряжений для дефекта с коэффициентом жесткости / = 2 . Подобные кривые могут быть построены для дефектов с любой жест­ костью. Не следует забывать, однако, что подобные кривые предназ­ начены для оценки потери несущей способности материала, содержа­ щего мелкие острые дефекты. При малых размерах пластической зоны учет роли наибольшей жесткости только вблизи границы упруго­ пластической зоны уже достаточен для обеспечения отсутствия ло­ кального микроскола. К острым дефектам большой протяженности (усталостные макротрещины) расчеты по критерию (10.55) не приме­ нимы, так как вязкий микроскол здесь может зарождаться внутри пластической зоны, имеющей у вязких металлов большую протяжен­ ность (8 .2 0 ).

Несмотря на полезность критерия достаточности запаса вязкости материала на основе параметров К в или К в 0Пт все же определение

коэффициента вязкости требует специальных лабораторных экспери­ ментов, чаще всего с применением низкотемпературных механических испытаний (см. гл. 4), что не всегда удобно. Для быстрых оценок в ходе инженерных расчетов, вероятно, было бы полезно получить по­ добный критерий, содержащий более простой и доступный показа­ тель вязкости материала, чем коэффициент К в. Исходя из анализа фи­

зической природы такой характеристики пластичности, как относи­ тельное сужение ф (гл. 8 ), можно было бы попытаться использовать ее в качестве параметра, удобного для быстрой оценки достаточности вязкости металла. В настоящее время, имея то или иное значение ф, еще нельзя с уверенностью сказать о надежном запасе пластичности материала в эксплуатационных условиях.

Как известно (гл. 7), значение ф определяется достижением усло­ вия вязкого микроскола в шейке в момент разрыва. Деформирую­ щее напряжение в материале шейки S0 всегда ниже Лмсе в соответ­ ствии со степенью ЖНС (рис. 10.9). Экспериментальные значения напряжения в момент разрыва в шейках для широкого набора конст­ рукционных сталей, испытанных в интервале температур 2 0 -г- —196 °С, представлены на рис. 10.13. Несмотря на разброс, неиз­

бежно сопутствующий всем величинам, вычисленным с помощью ха­ рактеристики ф, на рисунке все же просматривается общая законо­ мерность изменения величины 5 0 (кривая 5), близкая к той, которая диктуется теорией микроскола (рис. 10.13, кривая 2). Кривые 2 и 3

особенно близки в области больших деформаций в шейке, где г[э = = 50—70 %. Из точки М на рис. 10.13 проведем лучи, соответству­

ющие линиям упрочнения различных сталей аналогично рис. 10.9.

рис. 10.13 отложена величина lg (а„/Ямс). В зависимости от угла накло­

250