1038

нолегированного сплава, содержащего углерод, есть характерный участок интенсивного возрастания прочности, на кривой прочности сплава без углерода этот участок отсутствует. Анализ кривых позволяет сделать вывод, что образование карбидной фазы и в материалах после двойного прессования и спекания вызывает повышение прочности спеченных сложнолегированных сплавов. Характер кривых твердости спеченных композиций аналогичен кривым, характеризующим прочность, и объясняется теми же причинами.

Исследование ударной вязкости спеченных сплавов после двойного прессования и спекания (рис. 47) показало наличие характерного излома на кривой зависимости от отношения Сr/С и (Сr + Мn)/С. Ударная вязкость является одной из характеристик пластичности материала и в спеченных порошковых сплавах в большей степени зависит от величины металлического контакта (площади металлического контакта между зернами в прессовке), чем от совершенства контактных мостиков. Поэтому характерный излом на кривой ударной вязкости сплава после двойного прессования и спекания не столь ярко выражен, как на кривой, характеризующей ударную вязкость после однократного прессования и спекания.

Рис. 47. Влияние отношения Сr/С (1) и (Сr + Мn)/С (2) на ударную вязкость

132

ELIB.PSTU.RU

Изучение фрактограмм изломов показало, что разрушение сплавов после двойного прессования и спекания происходит так же, как и на сплавах после однократного прессования, т.е. хрупко.

Применение двойного прессования при комплексном легировании железографита качественно изменяет механизм образования связей, определяющих прочность спеченных прессовок. При недостатке углерода прочность связи в спеченной прессовке определяется прочностью твердых растворов Fе–Ni–Сr, но за счет увеличения количества металлических контактов прочность спеченного материала после двухкратного прессования выше, чем при однократном.

Применение двойного прессования с последующим спеканием сложнолегированного материала с содержанием углерода 0,6–0,9 мас. % уменьшает удельный эффект легирования вследствие увеличения плотности материала, т.е. в большей степени сказывается количественный фактор, реализуемый при втором прессовании.

Исследования механических свойств спеченных легированных сплавов показали, что путем оптимального легирования исходной шихты на основе порошка железа такими добавками, как хром, никель, марганец и углерод, можно значительно повысить механические свойства спеченных изделий. Таким образом, основным фактором, влияющим на механические свойства, является соотношение между количеством карбидообразующих элементов и углеродом.

133

ELIB.PSTU.RU

Глава 7 ПРОЧНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ

СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ

7.1. Конструктивная прочность структурно-неоднородных порошковых сталей

7.1.1. Оценка конструктивной прочности

Катастрофическое разрушение без видимых причин судов, мостов, сосудов давления, роторов генераторов, дисков турбин, других дорогостоящих и ответственных объектов [1] потребовало создания методов контроля, дающих оценку качества металла с точки зрения сопротивления хрупкому разрушению. С этой целью на рубеже 50–60-х гг. были выпущены нормативные документы. По-видимому, впервые (1950 г.) испытания на ударную вязкость были включены в технологические условия, принятые для обеспечения безаварийной работы орудий при низких температурах [2], а затем промышленно развитые страны приняли стандарты: в СССР

ГОСТ 9454–60, АSТМ–1961 в Великобритании, DIN–50115

в ФРГ, Японского сварочного общества (1964 г.) и др. Наибольшее распространение получили образцы сечением 10×10 мм типа Менаже, имеющие надрез с радиусом в вершине 1 мм на глубине 2 мм, а также аналогичные образцы с радиусом в вершине 0,25 мм (Шарпи).

Использование в качестве оценки склонности к хрупкому разрушению ударной вязкости позволило выдвинуть эмпирический критерий, исключающий лавинный рост трещины [1]. В 1956 г. судоходство Ллойда приняло решение в качестве критерия использовать энергию разрушения образцов из низкоуглеродистой стали, умноженную на коэффициент 1k12 , при этом

134

ELIB.PSTU.RU

где γ – верхний предел текучести; u – среднедопустимый

предел прочности стали.

Фирма Det Norske Veritas для стали NVW при испытании образцов Шарпи с V-образным надрезом установила минимальное значение энергии разрушения 2,8 кГс·м при 0 °С и это же значение для стали КSM при –20 °С. Фирма Kaija Hyokas (Япония) для стали КSМ–41–W при испытании образцов Шарпи с V-образным надрезом требовала при 0 °С значения энергии разрушения от 2,5 до 5,3 кГс·м при изменении толщины в пределах 15–41 мм.

По данным испытаний плит, снятых со 100 аварийных кораблей, Вильям установил зависимость для стали, содержащей 0,25 углерода и 0,45 марганца, обеспечивающую отсутствие признаков разрушения. На образцах Шарпи с V-об- разным надрезом ударная вязкость должна быть не ниже 1,4 кГс·м для толщины образцов от 12,7 до 30,75 мм.

Часто в качестве критерия вязко-хрупкого перехода используют критическую температуру хрупкости. В табл. 28 [3] сопоставлены значения критической температуры хрупкости, оцененные различными методами.

Исследовано [4] влияние размеров образца на работу распространения трещины и установлено снижение удельной энергии разрушения при увеличении толщины образца.

Еще в 50-х гг. стала ясна необходимость для предотвращения хрупкого разрушения технических объектов испытывать образцы с трещинами. Методика испытания образцов с надрезом, заканчивающимся усталостной трещиной, разработана Дроздовским и Фридманом [5]. В ее основе лежит испытание на ударную вязкость и идея разделения ударной вязкости на работу зарождения трещины (aз ) и работу ее

распространения (ap ). Такие испытания, предоставляя ин-

135

ELIB.PSTU.RU

формацию о технологических характеристиках сопротивления распространению трещины, оказываются непригодными для сравнительных оценок, так как не учитывают вид напряженного состояния в вершине трещины. Для выявления склонности материала к хрупкому разрушению необходимо использовать дополнительные признаки, например фрактографическое изучение изломов.

Таблица 28

Критическая температура хрупкости при статическом и динамическом нагружении

Таким образом, ударная вязкость и определяемая с ее помощью критическая температура хрупкости являются грубым качественным критерием перехода материала из хрупкого состояния в вязкое, так как не учитывают влияния на этот переход вида напряженного состояния у вершины дефекта, габаритов и геометрии образцов, скорости нагружения и других факторов. Вместе с тем методические разработки, такие как вид образцов, способы испытаний и нанесения трещины, представляют интерес при определении объективного критерия.

136

ELIB.PSTU.RU

Практически ударную вязкость и связанные с ней характеристики вязко-хрупкого перехода удобно применять лишь в тех случаях, когда определение объективных характеристик затруднено.

Теоретическая прочность твердых тел составляет σтеор

~ 10 ГПа и превышает реальную прочность на два-три порядка. Это явление, исходя из энергетического подхода к разрушению, первым объяснил Гриффитс [6], определивший роль дефектов типа трещин, раковин, пор и других в исходном материале.

Основное предположение энергетической теории Гриффитса сводится к наличию на поверхности твердого тела сил натяжения, которые при образовании трещины длиной 2a компенсируют уменьшение потенциальной энергии Wσ.

Следуя [7, 8], рассмотрим поведение тела, имеющего эллиптическое отверстие, под действием растягивающего напряжения σ. Напряжение σ вызывает появление в теле двух новых свободных поверхностей, поверхностная энергия ко-

торых (Wγ ) равна 4аγ. Эта энергия восполняет понижение

потенциальной энергии системы (для металлов вклад энтропийного члена несуществен, поэтому изменение потенциальной энергии практически эквивалентно изменению свободной энергии):

где Е – модуль Юнга.

Нарушение энергетического баланса выразится зависимостью:

ELIB.PSTU.RU

Согласно второму закону термодинамики, самопроизвольно могут протекать только процессы, способствующие уменьшению свободной энергии системы. Исходя из этого трещина будет раскрываться при

Если W ∂a > 0, то трещина устойчива и без дополни-

тельного внешнего воздействия расти не будет. Критическое состояние, после достижения которого начинается рост трещины, выводят из условия W ∂a > 0.

началу нестабильного распространения трещины, при этом

Эксперименты Гриффитса по разрушению были поставлены на тонких волокнах из кварцевого стекла. В металлических материалах распространению трещины предшествует пластическая деформация. Влияние пластической деформации носит сложный диалектический характер [7]: во-первых, она способствует разрушению благодаря хаотичности и неоднородности микропластической деформации, создающей концентраторы напряжений; во-вторых, тормозит разрушение, образуя области микропластической деформации вокруг уже имевшихся концентраторов напряжений. Появление пластической зоны вызвано действием касательных напряжений τTP вблизи вершины трещины. По мере продвижения трещи-

ны пластическая зона смещается в направлении распространения трещины, находясь перед ней. На единицу объема, де-

138

ELIB.PSTU.RU

формируемого со степенью пластической деформации εП. TP

можно повторить рассуждения Гриффитса, и это сделал Орован в 1945 г.

Величиной γ для металлов можно пренебречь по срав-

Практически знание lКР позволяет выявить размер де-

фекта, допускающий катастрофическое разрушение конструкции.

В настоящее время в качестве критерия вязкости разрушения используют не GC , а KC :

139

ELIB.PSTU.RU

Bыполнение энергетического критерия означает, что разрушение термодинамически выгодно. Но это еще не значит, что связь между атомами будет разорвана. Для разрыва связей между атомами необходимо приложить некоторое напряжение, величину которого определяет силовой критерий. Таким образом, между напряжением, когда разрушение возможно, и тем напряжением, когда оно осуществляется силовым путем, существует интервал локальных напряжений [7]. Разрыв связей в таких условиях возможен термофлуктуационным путем, такой подход лежит в основе кинетической концепции академика Журкова [9]. Кинетический подход исходит из того, что основной причиной разрушения являются тепловые колебания атомов. В термодинамически устойчивом состоянии вероятность разрыва и образования связи одинакова, поэтому основным фактором, приводящим к разрушению, является нагрузка. Расчеты [7] показывают невозможность одновременной перестройки за счет тепловых флуктуаций группы атомов в металлах за реальное время таким образом, чтобы можно было говорить о разрыве связей. Следовательно, разрушению за счет тепловых колебаний должно предшествовать преодоление потенциального барьера. Потенциальный барьер – трещина критической длины – вводит теория Гриффитса.

Современные представления о термофлуктуационном разрушении связывают акт образования дефекта критических размеров не с разрывом одиночных атомных связей, а с термофлуктуационным зарождением трещины [10]. Зарождение трещины осуществляется путем флуктуационного возникновения «критического зародыша» и дальнейшего термодинамически выгодного безактивационного роста. Зарождение дилатона – разрушающей флуктуации плотности – осуществ-

140

ELIB.PSTU.RU