Структура металла и хрупкость стальных изделий

на линий упрочнения, т. е. от показателя упрочнения стали на участке деформации от ов до S,; который обозначим пв, изменяется и пре­ дельная пластичность стали в шейке t которую можно пересчитать из истинной деформации е в относительную ф:

Рассмотрим часть рис. 10.13 в более крупном масштабе (рис. 10.14). Лучи из точки М , проведенные для разных показателей пВг пересе­

каясь с кривой S„, дают соответствующие предельные значения де­ формации в шейках ет или ф (рис. 10.14). На рис. 10.15 кривая 2

построена таким же образом, исходя из предположения, что точка М соответствует более высокому значению R MCe = 1,4ДМС, что, в

принципе, возможно, для некоторых сталей. Как видим, отличие в значениях предельной пластичности сталей ф* при этом не очень большое, но важно то, что для каждой стали можно построить свой график зависимости ф* от пв, если определить для нее из опыта

значение i?MCe при деформации порядка 1,4—1,6. На рис. 10.15 кри­ вая 1 может служить в качестве приближенного критерия достаточной пластичности стали по данным параметров ф и пв. Отметим, что пока­ затель упрочнения пв на участке деформации от ов, где е = ер, до разрыва в шейке, где SK — среднее (номинальное) напряжение раз­ рыва в шейке, еш— истинная деформация в шейкел соответствующая

сужению ф по (10.58), представляется в виде

Здесь L — коэффициент Давиден-

кова — Бриджмена (7.16), (7.19). Согласно рис. 10.14 можно по­ лучить критерий достаточной плас-

•0,05 —

80ч>,%

Рис. 10.14. Участок диаграммы рис. 10.13 в области больших пластиче­ ских деформаций. Лучи из точки М — экстраполированные участки линий упрочнения сталей за пределами предельных деформаций в шейке.

Рис. 10.15. Критерий достаточной пластичности стали ф*, рассчитанный по диаграмме рис. 10.14:

1 — в предположении, что точка М характеризуется координатами: Ямсв = 1,2ЯМС;

251

напряжение в шейке в момент разрыва — характеристик достаточ­ но доступная для определения в лабораторных условиях.

Из рис. 10.15 можно сделать вывод, что для широкого класса ста­ лей, имеющих показатель деформационного упрочнения пв = 0 —

0,5, критерию достаточной пластичности удовлетворяет довольно уз­ кий диапазон изменения показателя ф = 60—70 %. Согласно этому можно высказать обоснованные сомнения в устойчивости сталей, имеющих ф <С 60 % , к действию мелких концентраторов напря­ жений.

В связи с этим необходимо рассмотреть проблему хладноломкос­ ти стальных изделий. Известно, что сталь для машин, используемых в северных условиях, должна быть лучше по механическим свойст­ вам, в частности она должна отличаться своей пластичностью. Нов перечне требований к свойствам таких сталей обычно оговариваются уровни ударной вязкости при —40° или —60 °С и температура хруп­ ко-вязкого перехода по ударным испытаниям образцов с надрезом [116,124]. Но этим параметрам не всегда можно вполне оценить фак­ тическую надежность работы материала в условиях холода. С точки зрения физики явления хрупкость стальным изделиям при низких температурах эксплуатации придают присутствующие в них мелкие дефекты, которые реализуют при нагружении условия локального микроскола в момент2 когда запаса пластичности в металле оказыва­

252

ется недостаточно. Физические причины такой хладноломкости вполне ясны — при понижении температуры показатель упрочнения сталей вначале увеличивается (рис. 7.11), и, следовательно, растет критическое значение характеристики пластичности — ф* или Къ miU

(рйс. 10.10 и 10.15), тогда как реальный запас вязкости материала — ф или К в падает. Точка пересечения критических параметров ф* или К п min с реальными и может служить физически интерпретированной

температурой хладноломкости материала в изделии (рис. 10.16). За­ метим, что причиной разрушения здесь могут быть не только дефекты, но и локальные пластические деформации, возникающие в нагру­ женных волокнах изгибаемых элементов конструкций в экстремаль­ ных условиях нагружения. Если запас пластичности материала не­ достаточен, то такие локальные пластические деформации в тонких слоях чреваты хрупким разрушением всего изделия.

В заключение можно сказать, что проектирование изделия для конструктора не ограничивается решением основной задачи обеспе­ чения его механической прочности. В настоящее время конструктор может глубже проникнуть в задачу надежности изделия, руковод­ ствуясь критерием достаточной пластичности материала в виде пара­ метров ф* или К ъ min, исходя из основных показателей механиче­

ских свойств материала. На этом же основании заранее на этапе под­ бора материала может быть определен нижний уровень допустимой

.температуры эксплуатации изделия, полагая, что причиной его вне­ запной поломки могут оказаться мелкие дефекты — источники кон­ центрации напряжений или другие источники локальных пласти­ ческих деформаций.

Задача материаловеда в этом отношении заключается в обеспече­ нии достижения наилучшего сочетания важнейших показателей ме­ ханических свойств — коэффициентов К в, п и характеристики ф —

путем целенаправленного воздействия на состав и структуру стали. Таковы некоторые практические аспекты, вытекающие из разви­ той в настоящей монографии физической теории разрушения стали,

основанной на концепции микроскола.

17 4 -29G0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детальное рассмотрение условий* при которых в очаге разрушения возникает субмикроскопическая нестабильность в росте зародышевой трещины — микроскол, привели нас к пониманию физической при­ роды явления спонтанного или лавинного разрушения стальных изде­ лий и сооружений. Мы убедились, что в основе всех лавинных раз­ рушений — хрупких или вязких — лежит один и тот же физический эффект — гриффитсовский процесс в микрообластях металла, служа­ щий начальным толчком во всех разрушениях взрывного типа. Если по каким-либо причинам условия для микроскола отсутствуют, раз­ рушение с самого начала будет носить характер спокойного посте­ пенного разрыва металла пластического типа, не самоускоряющегося в процессе развития. Пластические разрушения (разрыв или срез) не представляют большой опасности для изделий техники главным образом ввиду отсутствия эффекта внезапности, вызываемого чув­ ствительностью к концентраторам напряжений. Поэтому вопрос о точной идентификации микромеханизма зародышевой стадии разру­ шения металла может оказаться решающим для обеспечения силовой надежности изделия. Удачная формулировка момента зарождения не­ стабильности в очаге разрушения в виде критерия микроскола (10.18) позволила связать воедино силовые и структурные параметры про­ цесса и в итоге перейти к параметрам механических свойств металла, определенное сочетание которых соответствует критическому момен­ ту'- Микроскола. Важнейшим следствием физической теории микроскола являются полученные в последней главе критерии достаточной пластичности металлического материала. И хотя не следует переоце­ нивать меру точности этих критериев, достоверность которых еще должна подтвердить инженерная практика* все же сам факт их фор­ мулировки, основанной на ясных физических предпосылках, пред­ ставляется принципиально важным.

Поэтому в заключении монографии как итог всего сделанного в работе полезно привести краткую сводку основных критериев, обес­ печивающих требуемую конструкционную вязкость металла при его работе в изделии* и дать пример конкретного расчета требуемых па­ раметров стали.

А. Обеспечение безопасности по отношению к раннему микросколу у высокопрочных или малопластичных сталей при низких темпе­ ратурах (ф ж 0 ,1 ):

254

Отсутствие микроскола на этапе деформирования от предела те­ кучести до предела прочности обеспечивается также условиями:

Б. Безопасность изделия по отношению к слабым концентрато­ рам (j да 1 ):

а) по усредненному показателю деформационного упрочнения ста­

б) по данным механических свойств на участке деформирования

где ив — показатель деформационного упрочнения на участке лока­ лизованной деформации (выше ер) вплоть до разрушения в шейка при одноосных испытаниях (10.58); ер да 0,1.

Этот же критерий* выраженный через SKt истинное напряжение

разрыва в шейке

а) безопасность по отношению к зарождению хрупкого микроско­

б) безопасность по отношению к зарождению вязкого микроско­ ла вблизи острия трещины соответствует условиям (5а) и (56);

в) безопасность по отношению к возникновению вязкого микро­ скола внутри зоны пластичности* когда у самого острия достигнута

деформация выше критической (е* ;> 1 ,6 — образуются и растут по­

ры), но на некотором удалении от вершины, где имеется увеличенная жесткость /пл > li создаются предпосылки для микроскола:

вольно сложную задачу распределения напряжений и деформаций во всей зоне пластичности у концентратора. При грубой оценке можно

Проиллюстрируем использование итоговых критериев примером подбора прочностных параметров стали, которые обеспечивают ей пластичность, достаточную для заданных условий работы изделия.

Пусть по условиям расчета прочности изделия требуется сталь с пределом текучести от = 50 даН/мм2. Для определенности примем и остальные показатели свойств: ов = 60 даН/мм2, щ = 0,10, пв =

= 0,15. Вопрос состоит в том, каковы должны быть показатели вяз­ кости такой стали, чтобы ее конструкционная прочность была не ни­ же предела текучести материала в изделиях с различной категорией надежности по устойчивости к хрупкому разрушению.

1. Требуется обеспечить пластичность, гарантирующую от преж­ девременного разрушения при наличии слабого концентратора в ус­

То же для элемента изделия в ЖНС с коэффициентом жесткости

летворяет, например, сталь 09Г2СФ в состоянии после контролируе­ мой прокатки [119] (табл. 10.1).

2. Требуется обеспечить устойчивость изделия к возможному присутствию в нем острых мелких концентраторов (j да 1 ).

По (56) рассчитаем критическое значение требуемого показателя

Сравнивая пв = 0,09 с фактически имеющимся пв = 0,15, получа­

ем пв <С пв — сталь не удовлетворяет требованию дефектостойкос-

ти. Критическое значение характеристики пластичности ф* = 0,63 (рис. 10.15). Реально существующая сталь 09Г2СФ имеет ф да 58, что недостаточно. Следует повысить RMC. Примем R MC = 100 даН/мм2 и, повторив расчет по (5), получаем пв = 0,24 >• 0,15. Как видим,

для обеспечения требуемой надежности по дефектостойкости изделия нужна сталь с R uc = 100 даН/мм2 и Кв = 2.

256

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Л. К. Гордиенко, В. Н. Чеминов и др.— М. : Наука, 1965.— 180 с.

4.Трефилов В . И., Милъман Ю. В., Фирстов С. А . Физические основы прочнос­ ти тугоплавких металлов.— Киев : Наук, думка, 1975.— 316 с.

11.Журков С. Н ., Нарзуллаев Б . Н. Временная зависимость прочности твердых тел.— ЩТФ, 1953, 23, вып. 10, с. 1053—1089.

12.Журков С. Н. Проблема прочности твердых тел.— Вести. АН СССР, 1957, № 11, с. 78—82.

13.Журков С. Н., Савицкий А. В. К вопросу о механизме разрушения твердых тел.— Докл. АН СССР, 1959, 129, № 1, с. 91—94.

14.Журков С. Н., Санфирова Т. П. Изучение временной и температурной зави­ симости прочности.— ФТТ, 1960, 2, № 6, с. 1033—1039.

15.Регель В. Р., Слуцкер А . И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.— М. : Наука, 1974.— 560 с.

16.Griffith A. A . The phenomena of rupture and flow in solids.— Phil. Trans. Roy. Soc. London A, 1921, 221, p. 163—168.

17.Мешков Ю. Я . Физические основы разрушения стальных конструкций.—

Киев : Наук, думка, 1981.— 238 с.

18. Strok А. N. The formation of cracks as a result of plastic flow.— Proc, Roy. Soc. London A, 1954, 223, N 1154, p. 404—420.

19.Коттрелл A. X. Теоретические аспекты процесса разрушения.— В кн.: Атомный механизм разрушения. М. : Металлургиздат, 1963, с. 30—58.

20.Мешков Ю. Я . Субмикротрещины.— В кн.: Энцикл. неорган. материалов :

В2-х т., 1977, т. 2, с. 474.

21.Курдюмова Г. Г., Милъман Ю. В., Трефилов В. И . К вопросу о классифика­

259

22. Holzmann M. Die heatigen Theorien des Sprodbruchens von Stahl.— Wiss.

Z.Techn. Hochsch. 0 . Guericke Magdeburg, 1971, 15, H. 5, p. 455—462.

23.Гриднев В. H., Гаврилюк В. Г., Мешков Ю. Я. Изменение плотности при пластической деформации и отжиге стали.— МиТОМ, 1971, № 1, с. 21—23.

24.Райс Дж. Математические методы в механике разрушения.— В кн.: Разру­ шение. М. : Мир, 1975, т. 2, с. 204—335.

25.Броек Д. Основы механики разрушения.— М. : Высш.,шк., 1980.— 368 с,

26.Возникновение микротрещин скола в поликристаллическом железе И стали / Дж. Т. Хан, Б.Л. Авербах, В.С .Оуэн, М. Коэн.— В кн.: Атомный механизм разрушения. М. : Металлургиздат, 1963, с. 109—134.

27.Нотт. Дж. Микромеханизмы разрушения и трещиностройкость конструкци­ онных сплавов.— В кн.: Механика разрушения (Сер. М. : Мир, 1979, с. 40— 82. Новое в зарубеж. технике ; Т. 17).

28.Smith Е. Proceedings of the conference on «The physical basis of yield and fra­

cture». — Inst. Phys. Soc., 1966, p. 36.— Цит. no [28].

29.Коэн M Вуцкевич M. P. Статистический анализ разрушения отрывом в железе при разрушении карбидов.— В кн.: Физика прочности и платичности М. Металлургия, 1972, с. 258—268.

30.Fracture and society. An ICF4 interview with sir Alan Cottrell FRS.— In:

31.Драчинский А. С., Трефилов В. И. Об условиях разрушения металлов.— Вопр. физики металлов и металловедения, 1964, вып. 18, с. 22.-25.

32.Мешков Ю. Я. Модель упруго-равновесных субмикротрещин в деформиро­

35.Семенченко В. К. Поверхностные явления в металлах и сплавах.— М. : ГНТИ, 1957,— 475 с.

36. Еременко В. Н. Титан и его сплавы.— Киев : Изд-во АН УССР, 1960.—

111с.

37.Мешков Ю. Я. Вопросы механизма разрушения железа.— Металлофизика, 1976, вып. 65, с. 32—45.

38.Орлов А. Н., Перевеэенцев В. Н., Рыбин В. В. Границы зерен в металлах.—

М.: Металлургия, 1980.— 154 с.

39.Коттрелл А. X. Дислокации и пластическое течение в кристаллах.— М. :

41.Эшенби Дж., Франк Ф., Набарро Ф. Равновесие линейных рядов дислока­ ций.— В кн.: Континуальная теория дислокаций. М. : Изд-во иностр. лит., 1963, с. 154—174.

42.Мешков Ю. Я. О возможности устойчивого равновесия острых трещин при их зарождении в металлах.— Металлофизика, 1968, вып. 23, с. 5—12.

43.Seeger А . Kristallplastizitat.— In: Handbuch der Physic. Berlin etc. : Sprin­ ger, 1958, S. 1—210.

44.Low J . B. Ralations of properties to microstructure.— Trans. Soc. Mining Eng. AIME, 1954, N 1, p. 163—179.

45.McMahon C. J ., Cohen M. Initiation of cleavage in policristalline iron.—

Acta met., 1965, 13, N 6, p. 591—604.— Цит. no [28].

46.Садовский В. Д. Структурная наследственность стали.— М. : Металлургия, 1973.— 186 с.

47.Зависимость предела прочности от структуры перлитной стали / В. Н. Грид­

48.Мешков Ю. Я., Пахаренко Г. А ., Седых С. Н. Влияние цементита на разру­ шение углеродистой стали.— Металлофизика, 1977, вып. 67, с. 68—71.

49.О структурной зависимости хладноломкости стали с пластинчатым перлитом/

В.Н. Винниченко, О. Я. Значковский, 10. Я. Мешков и др.— Металлофизи­ ка, 1979, вып. 76, с. 66—69,

260