Структура металла и хрупкость стальных изделий

Рис. 3.13. Сопоставление микромеханических и стандартных испытаний стали М 16G на растяжение; О, Д — образцы диаметром \ 9. мм; ф , А — образцы диаметром 5 мм (ш>

Рис. 3.14. Зависимость механических свойств отожженной стали 20 от диаметра образца D.

А А

А

9Х

рос экспериментальных точек вблизи температуры хрупко-вязкого пе­ рехода. Согласно рис. 3.13 можно заключить, что в обеих сериях образцов сопротивление микросколу достигается при одинаковом: напряжении, примерно 90 даН/мм2. Косвенным свидетельством независимости R MCот размера образцов служат экспериментальные

данные Г. В. Ужика, из которых следует, что абсолютные размеры образцов не влияют на сопротивление отрыву стали [57].

В специальных опытах определялись R MC малоуглеродистой ста­

ли 20 на образцах диаметром 0,5—9 мм.3 Образцы подвергались тер­ мической обработке таким образом, чтобы обеспечить в обеих сериях одинаковый средний размер зерна феррита 10 мкм.

Испытания на растяжение при разных температурах позволили определить 7?мс как напряжение хрупко-вязкого перехода при тем­ пературе — 196 °С. Оказалось, что изменение диаметра испытыва­ емых образцов более чем на порядок не влечет за собой заметного из­ менения 7?мс, хотя пластические свойства (ф, К в) при этом сущест­

венно снижаются (рис. 3.14). Следовательно, можно заключить, что масштабный эффект у такой характеристики, как сопротивление микросколу, отсутствует. Это дает основания иолученные на образ­ цах лабораторпые значения R MCиспользовать в анализе сопротивляе­

мости хрупкому разрушению крупномасштабных стальных изделий.

3.3.4. Временной фактор

Развиваемая с начала 50-х годов ленинградской школой С. Н. Жур­ кова кинетическая концепция прочности твердых тел [11—15], опидиаметром 1,2 и 5 мм почти не различаются, хотя увеличивается разб-

3 Эксперименты были выполнены В. Я. Барановым.

82

раясь на экспериментально установленную временную зависимость прочности, ставит под сомнение существование так называемых кри­ тических параметров сопротивляемости твердых тел разрушению. Действительно, если в результате длительного приложения стати­ ческой нагрузки напряжение разрушения может снизиться в 2-3 ра­ за, то такие понятия, как предел прочности, сопротивление отрыву, критическое напряжение хрупкого разрушения, как будто теряют всякий смысл.

На этом основании в работах [11—15] предлагается молекулярно­ кинетическая концепция прочности, рассматривающая процесс раз­ рушения не как критическое событие, а как постепенное накопление в кристаллической решетке разрывов атомных связей в результате флуктуаций при тепловом колебательном движении атомов, причем внешняя механическая нагрузка играет лишь вспомогательную, активирующую роль. Здесь не излагаются эти интересные экспери­ менты и детали предлагаемого механизма разрушения, поскольку глубокое обсуждение всех вопросов, касающихся кинетической при­ роды прочности твердых тел, содержится в монографии ведущих представителей этой школы [15]. Наша задача сводится лишь к одно­ му вопросу — действительно ли рассматриваемая кинетическая кон­ цепция и традиционная концепция разрушения как критического со­ бытия взаимно исключают друг друга. Возможно ли, чтобы две теории одного явления, каждая из которых хорошо описывает экспери­ ментальные данные в своей области, не были бы связаны между собой? Логично предположить, что обе концепции верны в своих основах, но основы их разные. В кинетической теории в явной форме представ­ лен важный временной фактор и в скрытом виде присутствует не ме­ нее важный структурный фактор. В дислокационной теории наблю­ дается обратная картина, в силу чего оба подхода представляют собой лишь крайние способы выражения одного и того же сложного многопланового явления разрушения. В настоящее время не про­ сматриваются какие-нибудь пути создания единой, общей теории раз­ рушения, которая в предельных случаях приводила бы к выводам структурной или кинетической концепций, но нет сомнения, что та­ кая теория будет создана. Определенной предпосылкой к этому мо­ жет послужить та оценка роли временного фактора в характеристике R MCJ которая будет проведена ниже.

вечностью материала под нагрузкой т, величиной растягивающего напряжения а и температурой Т:

(3.23)

где т0, U0и у — постоянные коэффициенты, определяющие прочност­ ные свойства данного материала, R — универсальная газовая по­

стоянная [14]. Величина С/0 — уст выполняет роль активационного барьера, преодоление которого необходимо для разрыва колеблю­ щимся в решетке атомом связи с соседями и тем самым осуществления элементарного акта разрушения, U0 — исходный энергетический

Рис. 3.16. Зависимость долговечности от напряжения при комнатной темпера­ туре для цинка:

1— средний размер зерна d = 1,86; г — 0,6; з — 0,33; 4 — 0,195; 5 — 0,04 мм (по [14]).

барьер, равный по смыслу энергии связи атомов в решетке и прибли­ жающийся по значению к энергии сублимации QCf в феноменологи­ ческом параметре у заключена вся информация о структуре испыту­

емого материала, константа т0 л* 10“ 13 с близка к периоду тепловых колебаний атомов в твердых телах. Силовой характеристикой проч­ ности в (3.23) служит напряжение а. Для дальнейшего анализа вы­ разим о из (3.23) в явном виде:

(3.24)

Согласно (3.24) прочность твердых тел убывает с увеличением вре­ мени нагружения т по логарифмическому закону (рис. 3.15), при­ чем на наклон кривой зависимости <тр от lg т температура Т и струк­ тура через параметр у влияют по-разному. Если формула (3.24)

правильно отражает объективную реальность, то выражение в скоб­ ках описывает влияние фактора времени на прочность ор, а множи­ тель 1/у должен, таким образом, содержать всю информацию о влия­

нии факторов структуры металла. В работе [14] поставлена задача: выразить в явном виде зависимость параметра у от размера зерна

в цинке. Обнаружено, что при измельчении зерна происходит умень­ шение наклона кинетической зависимости прочности (рис. 3.16),

а параметр у изменяется пропорционально Y d . Экспериментальные

данные этой работы (рис. 3.16) перестроены нами в координатах ар — d~l/t для трех фиксированных длительностей испытания —

т = 1, 102 и 106 с (рис. 3.17). Как видим, разрушающие напряжения для цинка при фиксированном т подчиняются той же структурной

зависимости от д Г ,г, что сопротивление микросколу, правда* коэф­ фициент К р в формуле ар = К р д Г оказался зависящим от времен-

84

Рис. 3.17. Зависимость разрушающего напряжения от размера зерна цинка:

1 — х = 1; 2 — 10»; 3 — 10» с.

Рис. 3.18. Зависимость параметра ТС* от времени статического нагружения для цинка при комнатной температуре:

1 — данные эксперимента по рис. 3.17; 2 — расчет по (3.29).

ной базы испытания (рис. 3.18). Таким образом, в структурном мно­ жителе 1/у формулы (3.24) явно может быть учтено влияние размера зерна в виде зависимости типа K pd~ поэтому его можно предста­

вить так:

где звездочка означает, что данная характеристика взята при неко­ тором фиксированном времени испытания т, п* — некоторая кон­

станта, отражающая роль остальных, не вошедших в соотношение

Kpd~ /г факторов при той же временной базе испытания. Если извес­

тен параметр у, то зная прочность материала при данном времени нагружения ат, можно определить

личным размером зерна остается постоянным при данном времени

85

Экспериментальная интерпретация полученной формулы (3.28) для цинка представлена на рис. 3.17, а временная зависимость коэф­ фициента К\ согласно (3.29) — на рис. 3.18.

По формулам (3.27) и (3.29).можно оценить темп временного из­

т0 « 10—13 с, R = 8,4 Дж/град, Т « 300 К, то,, используя экспери­

ментальное значение прочности для т « 1 с, ар = 19 даН/мм2 (рис. 3.16, кривая 5) и п* = 53,3 кДж/моль (табл. 3.3), получаем

аналитическое выражение для временной зависимости прочности цинка с размером зерна d = 1,86 мм в виде

Экспериментальный график на рис. 3.16 описывается достаточно близким уравнением к полученному:

На рис. 3.18, кривой 2, представлено временное изменение коэф­ фициента К], по (3.29) для цинка, что качественно вполне удовлетво­

рительно согласуется с экспериментом. Отметим, что для такого со­ гласия большое значение имеет степень достоверности использу­ емого значения Qc, величина которой не всегда известна с достаточ­

ной точностью. Тем не менее главный вывод, следующий из данного рассуждения,— экспериментальные данные по временной зависимос­ ти прочности металла содержат также адекватную информацию о структуре металла, нужно лишь соответствующим образом извлечь ее из этих результатов. Представление этих данных в форме струк­ турно-интерпретированного соотношения (3.28) позволяет рассмат­ ривать формулу (3.28) как обобщенное выражение прочности метал­

ла, в котором отражен как структурный (д Г /я), так' и временной

фактор. При "этом роль временного фактора проявляется в измене­ нии коэффициента по (3.29). Поскольку этот коэффициент имеет решающее значение в формуле для /?мс (2.28), то приходим к выво­

8 6

механическая характеристика металла строго говоря не является константой материала, поскольку подвержена закономерному по­ нижению с увеличением длительности времени испытания. На при­ мере ципка видно (см. рис. 3.17), что при увеличении длительности нагружения от 1 до 10е с прочность понижается от 19 до 7 даН/мм2, т. е. почти в три раза. Это, конечно, очень сильный эффект, с кото­ рым нельзя не считаться. Интересно оценить степень временнбго понижения сопротивления микросколу для железа или стали. Не

Как вщрщ, за время нагружения 1010 с, что составляет около 300 лет, 7?мс для стали уменьшается на 16 %. Можно не сомневаться, что та­ кое понижение прочности не выйдет за пределы безопасности, по­ скольку применяемые запасы прочности для долговременных метал­ лических сооружений заведомо больше этой величины. По-видимому, практическая долговечность стальных изделий и конструкций ли­ митируется не эффектом термофлуктуационного понижения проч­ ности, а другими, более сильными факторами, такими, как коррозия или динамическая усталость.

Таким образом, для железа и сплавов на его основе хотя эффект временнбго понижения прочности проявляется, но серьезного прак­ тического значения не имеет. Причиной этому является весьма вы­ сокий уровень сил межатомных связей в железе, что характеризу­ ется большим значением энергии сублимации по сравнению с дру­ гими металлами. Например, для алюминия и его сплавов (Qc =

== 231 кДж/моль) учет этого эффекта более актуален — при том же времени нагружения относительное понижение прочности достигнет 35 %. Еще больше чувствительны к действию фактора времени неме­ таллические материалы, типа полимеров, обладающие невысокой энергией сублимации — 105 -f- 168 кДж/моль [15]. Отсюда понятно^

87

Р А З Д Е Л II

СТРУКТУРА МЕТАЛЛА И СОПРОТИВЛЕНИЕ МИКРОСКОЛУ

Г Л А В А 4

ГОМОГЕННЫЕ И КВАЗИГОМОГЕННЫЕ СТАЛИ

Три главы второго раздела монографии содержат результаты экспе­ риментальных исследований по выявлению связи между сопротивле­ нием микросколу и структурным состоянием стали. Последовательно рассматриваются объекты, по структурному состоянию удовлетво­ ряющие соответствующей модели инициирования микроскола — заторможенный сдвиг (малоуглеродистые или закаленно-отпущенные стали), срез пластины цементита (перлитные стали), срез цементитного глобуля (углеродистые стали со сфероидизированным цементи­ том). Отдельно рассматриваются стали с неоднородной, смешанной феррито-перлитной структурой, представляющие наибольший прак­ тический интерес как типичный конструкционный материал массо­ вого применения. Наконец, в гл. 6 представлены эксперименталь­ ные данные по влиянию пластической деформации на сопротивление микросколу, которые служат своеобразным введением в физику вяз­ кого разрушения сталей. На этих данных почти полностью основано изложение материала третьего раздела монографии. Все экспери­ ментальные результаты настоящего раздела получены в отделе фи­ зики прочности и разрушения сталей Института металлофизики АН УССР в ходе изучения физической природы микроскола.

Прежде чем приступить к рассмотрению экспериментальных результатов, ознакомимся с основными методами определения со­ противления микросколу в лабораторных условиях.

§ 4.1. Методы экспериментального определения сопротивления микросколу

В настоящем параграфе будут рассмотрены основные способы определения физического критерия хрупкого разрушения металлов Дмс, разработанные в Институте металлофизики АН УССР, а также известные в литературе методы определения сопротивления отрыву R a и максимального локального растягивающего напряжения под

надрезом окр (физической интерпретацией которых и является со­ противление микросколу), ранее предложенные Г. В. Ужиком [57] и Ноттом [6].

89