Структура металла и хрупкость стальных изделий

атомными плоскостями. Такие микроразрывы могут создаваться также в результате излома твердых частиц при пластическом течении: окружающей матрицы под нагрузкой. Например, хрупкие пласти­ ны цементита на границах зерен малоуглеродистой стали с началом текучести ломаются, смещаются в полосах скольжения друг относи­ тельно друга, оставляя в месте излома плоскость феррита с нарушен­ ными атомными связями [45]. Коэн и Вуцкевич [30] рассматривают удвоенную толщину излома таких пластин как трещину Гриффитса (сгр =з 2£ц), способную при определенном критическом напряжении инициировать скол в окружающей ферритной матрице. Подобной точки зрения придерживаются и другие исследователи [22, 28, 29], причем Смит [29] развил теорию, в которой скол в ферритной матрице*, ведущий к общему разрушению изделия, инициируется изломом оди­ ночной частицы на границе ферритных зерен. Инициирующая роль пограничных хрупких включений в разрушении малоуглеродистых сталей не вызывает сомнения, однако не следует забывать, что в этих же материалах вблизи границ зерен в процессе деформирования воз­ никают и обычные дислокационные субмикротрещины, размер кото­ рых пропорционален размеру зерна и на пределе текучести съ « dllO,

Решающую роль в разрушении будет играть та трещина, размер ко­ торой окажется больше, поэтому критическим условием перехода-, от дислокационного к цементитному механизму зарождения микроскола в сталях, содержащих частицы карбидов в форме пластин толщиной гц, будет соотношение с3 = 2£ц, или

зерна феррита. В первом случае изменение размера зерна не вли­ яет на напряжение разрушения, во втором — на наличие погранич­ ных цементитных выделений в стали.

Иначе рассматривается роль цементитных частиц в перлитной ста­ ли, где пластины феррита и цементита залегают параллельными ря­ дами, образуя перлитную колонию (перлитное зерно), в которой все ферритные промежутки имеют одну общую кристаллографическую ориентировку [46]. Толщина ферритных пластин (ферритных проме­ жутков А) и цементитных пластин /ц может изменяться в широких пределах в зависимости от условий термообработки, а именно от тем­ пературного режима распада переохлажденного аустенита. При мед­ ленном охлаждении перлитной стали вместе с печью после высоко­ температурного нагрева (900—1000 °С), т. е. при отжиге получается: грубопластинчатый перлит с толщиной ферритных промежутков А « 0,5 -г- 1,0 мкм и цементитных пластин £ц « 0,1 -г- 0,2 мкм [5]. Если аустенит распадается при охлаждении стали на воздухе (норма­ лизация) или изотермически в ванне с расплавом соли при температуре около 500 °С (патентирование), то получается тонкопластинчатый пер­ лит, часто называемый сорбитом патентирования, с толщиной феррит­

41

ности перлитных сталей было показано, что прочность перлита с пластинчатой структурой может быть описана известной зависимос­ тью Холла — Петча, если вместо размера зерна d использовать ве­

личину межцементитного промежутка Д в перлите, исправленную на физически реализуемую длину линии скольжения в ферритном промежутке, Дс = 4,75Д:

где о0в — сопротивление движению дислокаций в ферритных проме­ жутках при напряжении предела прочности, К в — коэффициент, близкий к параметру К тв уравнении Холла — Петча, и для стали

приблизительно равен 2 даН/мм*/а. Опыт показывает, что измель­ чение перлитной структуры стали, т. е. уменьшение межцементит­ ного промежутка, приводит к линейному повышению прочности в за­

висимости от Д7>/г (рис. 2.3). При более корректном рассмотрении этого вопроса формулу (2.14) следовало бы немного изменить, доба­

вив в нее одно слагаемое K Dd ~ /г, учитывающее дополнительное

упрочнение, вызванное сопротивлением течению, создаваемым гра­ ницами перлитных зерен. Разумеется, в данном случае речь идет о^границах действительного зерна стали, т. е. перлитных колоний, а не о бывших границах зерен аустенита. В этом существенное от­ личие понятия размера зерна d для железа и перлитной стали. В же­

лезе не существует подобной дилеммы, так как в структуре наблюда­ ются лишь действительные ферритные зерна, размер которых легко определяется под микроскопом. Прочность перлитной стали, таким образом, должна описываться более сложной формулой:

вклад слагаемого K Bd ^ lf\ вносимый в прочность стали на порядок

меньше перлитного слагаемого К вД^Г7*, ибо Дс почти на два по­ рядка меньше размера зерна dn. Но, хотя абсолютное влияние разме­

ра перлитных зерен на прочность стали сравнительно невелико, осо­ бенно у крупнозернистых структур, на условия разрушения размер зерна перлита может оказать решающее воздействие.

Казалось бы, что цементитной пластине в перлите трудно стать непосредственным источником хрупкого скола в силу своих малых геометрических размеров. Однако простой расчет показывает, что при толщине цементитной пластины tn « 0,1 мкм (отжиг на грубо­

пластинчатый перлит) размер возможной трещины, возникшей при изломе такой пластины, вполне соизмерим с размером зародышевой субмикротрещины, возникшей в зерне даже небольшого размера (d л* 7 -I- 10 мкм). Отсюда следует, что к излому цементитных час­

тиц, как возможному источнику внутреннего растрескивания стали при ее деформации, нужно отнестись более внимательно, поскольку

42

в перлитных сталях цементитные пластины способствуют разруше­ нию в большей степени, чем пограничные карбидные выделения в ма­ лоуглеродистых сталях. Вследствие определенной кристаллографи­ ческой ориентации пластин феррита и цементита срез цементитных частиц в перлите происходит не по наименьшему размеру пластины, толщине, а по сильно наклоненной плоскости скольжения в феррит­ ной матрице, увеличивающей толщину среза почти в пять раз [47]: £Ср = 4,75£ц. Удвоенную величину косого среза цементитной пласти­ ны в перлите можно рассматривать как максимальный размер суб­ микротрещины, инициированной пластическим сдвигом в перлитной стали (рис. 2.4): Сгр = 9,50гц « 10£ц. Отсюда, по Гриффитсу, лег­

ко получить выражение для напряжения микроскола, источником которого может оказаться такой срез перлитной колонии:

ляется реальной величиной для хрупкой прочности отожженной стали [48, 49]. Отметим, в работе [50] напряжение хрупкого разру­ шения отожженных сталей оставалось одинаковым, хотя содержание углерода изменялось в пределах 0,2—1,0 %. Это, естественно, на­ водит на мысль, что не феррито-перлитная составляющая, а именно

Рис. 2.3. Зависимость прочности перлитных сталей от длины эффективной плоскости скольжения (по [6]):

1 — 4 — сталь 70 с различной степенью дисперсности цементита; 5 и б — соответст­ венно патентиропанные стали 65 и У9; 7 — армко-железо; 8 — сталь 08 кп.

Рис. 2.4. Схема образования субмикротрещины в результате скола плас­ тин цементита при пластическойдеформации перлитной стали.

43

вание цементитных пластин в перлите в работе [51] наблюдалось при трансмиссионном электронно-микроскопическом исследовании тонких фольг перлитной стали, подверженной растяжению до де­ формации, приблизительно соответствующей пределу текучести.

хрупких пластин цементита, который тут же ведет к разрыву при­ легающих областей феррита и тем самым инициирует общее разру­ шение стали. Отметим еще раз, что цементитная пластина в перлит­ ном эвтектоиде в качестве источника разрушения значительно эффективнее, чем одиночные пластинчатые выделения на границах зерен в малоуглеродистых сталях, рассматривавшихся в работах [22, 29, 52, 53], поскольку при одинаковой толщине цементитной пласти­

мёныпе, чем в случае одиночного цементитного включения на гра­ нице ферритных зерен. Но не следует забывать, что как в том, так и в другом случае наряду с растрескиванием цементита в полосах скольжения существуют возможности зарождения дислокацион­ ных субмикротрещин на границах зерен. Таким образом, у перлит­ ных сталей также может существовать два независимых субмикро­

В соответствии с этим можно различать два микромеханизма инициирования разрушения: гомогенный, зеренный (подобный механизму разрушения на железе) и гетерогенный, цементитный, свойственный только углеродистым сталям с достаточно большим количеством перлитной составляющей. Поскольку существует конку­ ренция двух механизмов инициирования разрушения, то результи­ рующая силовая характеристика разрушения — напряжение <jp определяется тем, какой из двух структурных факторов: зерна

ветствующем большей субмикротрещине, т. е. при меньшем значе­ нии агр. При этом меньшее из двух напряжений разрушения обя­ зательно должно быть равным напряжению течения стт, поскольку без макротекучести не сможет возникнуть ни зеренная, ни цемен­ титная субмикротрещина.

Итак, критическим, переходным условием разрушения от од­

Отсюда критическое соотношение между структурными параметра­ ми стали

44

Это значит, что если у стали зёрна перлита достаточно круп­ ные (dn > 550гц), то разрушаю­ щее напряжение будет соответ­ ствовать напряжению микроскола железа с тем же феррит­

микроскола, который представляет собой срез или раскол хрупких инородных частиц глобулярной (сферической) формы. Такие кар­ бидные глобули присутствуют в большом количестве в углеродис­ тых сталях, подвергнутых специальному отжигу на зернистый цементит. Сфероидизирующий отжиг служит эффективным сред­

с зернистым цементитом зависит от величины межкарбидного рас­ стояния X (рис. 2.5), но напряжение разрушения пр определяется

диаметром карбидных глобулей (рис. 2.6). Исходя из наблюдений Лиу и Гурланда [54], полагаем, что срез или разлом карбидных глобулей представляет собой вполне закономерное явление, а

Рис. 2.6. Зависимость напряжения разрушения сталей со структурой зер­ нистого цементита от диаметра цементптных глобулей du (по [54]):

1 — 1,46; 2 — 1,23; 3 — 1,13; 4 — 0,97; 5 — 0,62; в — 0,55 %С.

Рис. 2.7. Схема образования субмикротрещины в результате среза цементитной частицы сферической формы.

45

возникающий при этом сдвиг двух половинок частицы образует диско­ образную область разорванных атомных связей в ферритной матрице, которая и может рассматриваться как своеобразная зароды­ шевая субмикротрещина размером 2йц, где dn — диаметр глобу­

лярной частицы (рис. 2.7). Для такой дискообразной трещины диа­ метром 2с решение Гриффитса было получено Заком [55]:

Переходным условием разрушения от скола глобуля к зеренному

Как видим, самое низкое критическое соотношение между разме­ рами зерна и хрупкой частицы наблюдается для равноосных час­ тиц глобулярной формы. Это значит, что в сталях со сфероидизированным цементитом присутствие частиц второй фазы наименее за­

для одиночного пластинчатого выделения критическая толщина пластины tn > 1/140с?з (2.13), а для перлита контролирующую

роль в разрушении приобретает еще более тонкая пластинка: £ц > >►l/550d3 (2.18). Отсюда понятна технологическая целесообраз­ ность обработки стали на сфероидизированную структуру — при сопоставимой степени дисперсности частиц второй фазы (da « £ц) глобулярная частица будет иметь меньшую вероятность стать ис­ точником субмикротрещины, инициирующей микроскол, посколь­ ку напряжение Гриффитса для нее будет самым большим. Сравним численные выражения для напряжения Гриффитса для трех рас­ смотренных выше гетерогенных источников микроскола.

В разделе II указанные количественные закономерности по влиянию формы и размера цементитпых частиц на сопротивление различных сталей микросколу будут подтверждены эксперимен­ тальной проверкой соотношений (2.22) и (2.24).

46

В заключение необходимо отметить, что крупные неметалличе­ ские включения (сульфиды, фосфиды и др.), аналогично глобуляр­ ным частицам, могут также явиться источником микроскола в ста­ лях, поэтому очистка стали от вредных примесей часто оказывается весьма полезной для ее эксплуатационных свойств. Наконец, осо­ бое место в механизме разрушения занимает инициирование и рас­ пространение скола по границам зерен, ослабленных какими-либо включениями или сегрегациями атомов примесей, понижающих поверхностную энергию грппиц [56]. Такое специфическое интеркристаллитное разрушение, развивающееся, например, в сталях с отпускной хрупкостью, может контролироваться иными механиз­ мами зарождения скола, отличными от рассмотренных в данном параграфе. Интеркристаллитное хрупкое разрушение сталей в на­ стоящей монографии не рассматривается.

§ 2.3. Сопротивление микроскопу — напряжение разрушения на пределе текучести металла

Как было показано выше (§ 2.1), микроскол представляет собой процесс идеально хрупкого роста субмикротрещины в малых об­ ластях кристалла с совершенной решеткой. Для начала этого про­ цесса необходимо, чтобы к трещине размером с3 было приложено соответствующее ей напряжение Гриффитса (1.8):

Размеры зародышевых трещин различного происхождения в связи с элементами структуры стали были вычислены в предыдущем пара­ графе. Однако условие (1.8) еще недостаточно для реализации мик­ роскола, необходимо, чтобы субмикротрещины размером сэ действи­

тельно возникли в металле к этому моменту, поскольку в недеформированном, отожженном металле готовых субмикротрещин нет и чтобы они появились, необходима определенная пластическая деформация хотя бы до начала макротекучести (см. п. 2.2.1).

Согласно полученному в п. 2.2.1 выражению (2.11) размер за­ родышевой субмикротрещины в ферритном зерне зависит от раз­ мера зерна d и эффективного напряжения сдвига тЭфф = т — т0,

действующего по активной плоскости скольжения:

для различных стадий деформирования невозможно, поэтому в об­ щем случае течения материала при деформировании трудно точно вычислить с3 и по (2.25) напряжение разрушения от микроскола амсНо на кривой деформирования железа или стали всегда мож­ но найти такую точку, для которой т3фф вычисляется довольно

47

точно — это физический или условный предел текучести, для которого

возникшего на пределе текучести и сразу же перешедшего в лавин­ ное разрушение всего образца. Такие разрушения, когда общая пластическая деформация изделия мала, в технике принято назы­ вать хрупкими, хотя нередко в изломе разрушенной стали можно обнаружить четкие признаки пластической деформации [21]. По­ этому такие разрушения лучше называть квазихрупкими. Вообще уместно заметить, что во всем многостадийном процессе разрушения всегда реализуется несколько микромеханизмов разрушения: на субмикроскопической (зародышевой) стадии — микроскол, т. е. идеально хрупкое разрушение кристаллической решетки, по мере роста трещины постепенно возникают эффекты пластической ре­ лаксации — развивается квазискол, который переходит в микро^ вязкий рост микро- и затем макротрещины, завершающий обще разрушение изделия макрохрупким образом. Указанная последо вательность этапов, как увидим дальше, сохраняется и в том слу­ чае, когда зарождению микроскола предшествовала значительная пластическая деформация (например, в шейке разрываемого образ­ ца), но тогда общее разрушение завершится макровязким образом. Сейчас важно подчеркнуть, что напряжение микроскола на пределе текучести по (2.27) представляет собой особо важную механическую характеристику материала — сопротивление стали хрупкому раз­ рушению, от которой зависят основные силовые показатели ра­ боты изделия, его конструкционная прочность. В связи с этим та­ кую характеристику уместно выделить как особую, назвав ее со­ противлением микросколу стали, т. е. амс (т) = /?мс:

Если использовать известные значения входящих в формулу (2.28)

48

или (2.24) в зависимости от характера структурного состояния стали.

для экспериментального определения этой величины. Стандартные механические испытания на разрыв выполняются в интервале тем­ ператур ниже комнатной с фиксированием предела текучести ао.2 и ис­ тинного сопротивления разрыву в шейке S J , а также характерис­

тики пластичности ф. Температура испытаний снижается до тех пор, пока не будет достигнуто условие вязко-хрупкого перехода

Являясь особой механической характеристикой стали 7?мс, близко по смыслу и значению к характеристике, известной в литературе как сопротивление отрыву, обозначенное Г. В. Ужиком R a [57].

В 50-х годах, когда еще не получила достаточного развития дислока­ ционная теория разрушения металлов, понимание природы этой ха­ рактеристики не могло выходить за рамки общих феноменологиче­ ских представлений. Г. В. Ужик определяет R a следующим образом

«... Сопротивление отрыву не является мерой межмолекулярной проч­ ности, оно характеризует лишь среднюю величину сил сцепления для всей массы поликристаллов по сечению образца, так же, как предел текучести является характеристикой среднего сопротивления сдви­ гу поликристаллов для всего образца. R a является, таким образом,

технической характеристикой сил сцепления в пределах упругости.

не учитывающей влияния на величину этой силы микронеоднород­ ностей структуры, ориентации, сопротивления отдельных кристаллов и др. Не следует отождествлять R a с так называемой хрупкой проч­

ностью, являющейся лишь частичным проявлением сопротивления отрыву у хрупких металлов, обнаруживающемся уже при простом растяжении» (см. [57, стр. 15]).

Как видим, Г. В. Ужик понимал сопротивление отрыву более широко, чем только сопротивление хрупкому разрушению в точке хрупко-вязкого перехода, распространяя область ее проявления и на пластичные металлы, у которых реализация R 0 становится возмож­

ной в результате сильного стеснения пластической деформации при наличии трехосного растяжения в зонах действия надрезов, трещин и других источников неоднородностей напряженного состояния. Автор [57] развил теорию напряженного состояния в образцах с коль­ цевыми надрезами, которая позволяет вычислить R a для металлов^

находящихся в пластичном состоянии. Он, хотя и без достаточных доказательств, ааявил, что сопротивление отрыву не зависит от на­ пряженного состояния. Сказанное выше свидетельствует, что макро­ скопическая механическая характеристика материала R a совпадает с Дне, но теоретически для R 0 не раскрыта роль структуры металла,

остается неясной ее зависимость от внешних факторов нагружения— температуры, скорости деформации и др. В настоящее время Л. А. Копельман уточнил определение сопротивления отрыву, дан­ ное Г. В. Ужиком, указав, что под R a следует понимать не всякое

значение хрупкой прочности металла, а лишь самое низкое напряже­ ние хрупкого разрушения при температуре хрупко-вязкого перехода [58], что совпадает с нашим определением Лмс.

Таким образом, в результате рассмотрения физической модели мик­ роразрушения металла авторы пришли к механической характерис­ тике, которая в макроскопическом плане эквивалентна Д 0. Следова­ тельно, сопротивление микросколу по сути является физически интерпретированным сопротивлением отрыву по Ужику — Копельману. В дальнейшем это обстоятельство будет учитываться, однако с использованием термина сопротивление микросколу, понимая под этим физическую природу данной важнейшей механической харак­ теристики металла.

§ 2.4. Текучесть в сложном напряженном состоянии

Обязательной предпосылкой микроскола является развитие мак­ ротекучести в материале. Однако определение условий, при которых возникает течение при нагружении изделий, требует специального рассмотрения. В механике начало текучести материлов в общем слу­ чае GHC обычно рассматривается на основе классических критериев текучести — Кулона или Мизеса — исходя из известного предела

текучести материала при одноосном растяжении а?.

50