2421

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОФИЗИКИ

Ю. Я. Мешков

ФИЗИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ

РАЗРУШЕНИЯ

СТАЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

КИЕВ «НАУКОВА ДУМКА» 1981

УДК 539.4

Физические основы разрушения стальных конструкций

Ю. Я. Мешков.— Киев: Наук, думка, 1981.— 240 с.

На основе современных физических представлений рассматри­ вается явление квазихрупкого разрушения железа и стали как наи­ более интересного в теоретическом отношении и наиболее опасного в практическом плане. Особенностью монографии является рассмот­ рение проблемы разрушения с учетом реального структурного строе­ ния и вида напряженного состояния металла с целью соединить подходы физики и механики разрушения в единую теорию кон­ струкционной прочности сталей.

Для инженеров-конструкторов и исследователей, занимающих­ ся расчетами статической прочности металлических конструкций и исследованиями в области физики прочности и разрушения метал­ лов, а также может быть полезна студентам соответствующих спе­ циальностей.

Ил. 113. Табл. 6. Библиогр.: с. 231—236 (96 назв.).

Ответственный редактор Л. Н. Лариков

Рецензенты Л. В. Тихонов, Ю. В. Мильман,

Редакция физико-математической литературы

§ ) Издательство «Наукова думка*, 1981

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основным поводом к написанию этой книги явилось рас­ пространившееся в последнее время среди специалистов, занимаю­ щихся вопросами прочности и разрушения металлов, представление о том, что всякое внезапное разрушение в технике всегда вызывается внутренними дефектами, которые либо имеются в материале к на­ чалу его нагружения, либо возникают в ходе нагружения в местах локальных перенапряжений в связи с неоднородностями в распре­ делении нагрузки в изделии. Будучи в принципе верным, такое представление является, однако, односторонним, поскольку оставля­ ет в тени другую принципиально важную сторону проблемы. Дей­ ствительно, чаще всего неожиданное катастрофическое разрушение в общем грамотно спроектированной металлической конструкции возникает, когда в материале по тем или иным причинам (напри­ мер, в результате усталости или локальной текучести в зоне кон­ центраций напряжений) появилась и выросла до макроскопически? размеров стабильная трещина, способная в дальнейшем при опре' деленных условиях привести к полному разрушению изделия. Но

ведь этим не исчерпывается все множество наблюдаемых случаев разрушения. В научных исследованиях, например, гораздо больше распространены тривиальные случаи закономерного разрушения ме­ талла, не обладающего какими-либо скрытыми дефектами или не­ однородностями в распределении напряжений. И если от пагубных последствий наличия стабильных макротрещин современный кон­ структор может застраховаться соответствующим выбором допус­ каемого рабочего напряжения, исходя из известного критического коэффициента интенсивности напряжений К\д («вязкость разруше­

ния»), то более опасными являются случаи внезапных хрупких по­ ломок изделий, изготовленных из вполне доброкачественного ма­ териала, заведомо не содержащего никаких макродефектов, но обладающего, например, крупнозернистой структурой. Разобраться в общих закономерностях этой весьма актуальной, но наиболее не­ ясной части проблемы разрушения металлических изделий без при­ влечения современных физических представлений о роли структуры в разрушении металлов невозможно. Рассмотрению условий разру­ шения металлов в зависимости от характера зеренной структуры и вида напряженного состояния изделия посвящена настоящая мо­ нография.

Из сказанного следует, что имеет смысл различать разрушения двух типов: 1) явно стимулированные наличием в металле стабиль-

3

ных дефектов или неоднородностей напряжений и 2) обычные, нор­ мальные разрушения, обусловленные конкретным характером зеренной структуры и естественными процессами пластической дефор­ мации в металлическом материале с макроскопически однородным распределением напряжений. Отличать первый тип разрушений от второго можно по уровню номинального напряжения разрушения

Ор. Если Ор изделия (с учетом вида напряженного состояния)

существенно ниже лабораторной прочности образцов используе­ мого материала, то происходит разрушение, стимулированное ло­ кальным пиковым напряжением от внутреннего дефекта, как, на­

разрушение второго типа, например, хрупкий разрыв в средней ци­ линдрической части образца с галтелью. Последнее охватывает подавляющее большинство всех случаев квазихрупкого разрушения, с которыми имеет дело исследователь в лаборатории при испыта­ нии механических свойств на обычных гладких образцах макроско­ пически однородного материала. Лишь отдельные выбросы вели­ чин измеряемых характеристик в этих испытаниях могут быть от­ несены к наличию в металле скрытых дефектов, что позволяет трактовать эти случаи как разрушения первого типа. В общем можно сказать, что разрушения первого типа контролируются ве­ личиной локального пикового напряжения в окрестности дефекта, разрушения второго типа — величиной среднего однородного напря­ жения в изде/лии.

Разрушения первого типа могут быть внезапными, неожидан­ ными, но могут быть и заранее предсказанными, если характер напряженного состояния вблизи дефекта, а значит, и величина пи­

В противоположность этому разрушения второго типа никогда не являются неожиданными, так как проявляются в полном соответст­ вии со структурой и свойствами макроскопически однородного ма­ териала установленных в лабораторных испытаниях образцов. Упо­ мянутая классификация отражает объективно сложившееся деление областей исследования двух современных наук, занимающихся про­ блемой разрушения твердых тел. Обычное разрушение механически бездефектных металлических образцов в макроскопически однород­ ных полях напряжений является предметом исследования физики прочности в традиционной постановке задачи.

Исследованием закономерностей разрушения первого типа, сти­ мулированных макродефектами, занимается механика разрушения, достигшая в последнее время значительных успехов благодаря раз­ витию введенных Ирвином методов линейной механики разрушения, оказавшихся эффективными при объяснении силовых условий раз­ рушения изделия с трещиной. Но именно увлечение успехами этой новой и в определенной степени модной науки невольно способство­ вало распространению представления, согласно которому и обычное, нормальное разрушение в физике неизменно стало рассматриваться как результат перерастания возникшей в ходе деформирования стабильной микротрещины в разрушающую. В то же время не только при разрыве лабораторных образцов, но и порою при стен­ довых испытаниях целых изделий не удается обнаружить хотя бы микроскопический дефект, который с достоверностью можно было

4

бы рассматривать как явный источник разрушения. На загадочность такой ситуации принято не обращать внимания, полагая, что при­ чиной разрушения явился все же некоторый дефект, хотя и столь малый, что локализовать его местонахождение оказалось невозмож­ но. В этом заблуждении не было бы большой беды, если бы из него негласно не следовал фундаментальный вывод о трехстадийности физического механизма разрушения, согласно которому даже при обычных лабораторных испытаниях гладких образцов на рас­ тяжение разрушение обязательно проходит через этап стабильного подрастания зародышевой трещины в макроскопическую, которая затем катастрофически разрастается.

В сущности это означает не что иное, как произвольный пере­ нос идеологии современной механики разрушения в область явле­ ний, составляющих предмет физики разрушения, что, как оказа­ лось, не привело к ощутимым практическим успехам. Несмотря на то, что такое представление о физической природе разрушения

пока прийти к адекватному количественному описанию силовых условий разрушения металлов и конструкций из них в зависимости от их структуры.

В то же время физическая теория нормального разрушения второго типа может дать явлению иную трактовку, исходя из пред­ ставления об актах закономерного зарождения субмикроскопических дефектов кристаллической решетки и их непосредственного превращения в катастрофически растущие трещины, минуя стадию

ное перерастание в разрушающие катастрофические макротрещины вызывается действием известного энергетического фактора, успешно примененного Гриффитсом для объяснения причин разрушения очень хрупких материалов (стекло, керамика).

Поскольку обычные металлы не являются столь хрупкими, при­ менимость для них простого энергетического критерия Гриффитса была поставлена под сомнение, что, в сущности, и заставило Орована, Коттрелла и других классиков дислокационной теории ввести представление о промежуточной стадии стабильного подрастания микротрещины как необходимого этапа разрушения — представле­ ние, которое, в сущности, и привело к сегодняшней сложной ситуа­ ции в физической трактовке явления. При этом, однако, не было обращено должного внимания на одно принципиально важное об­ стоятельство. Неожиданной особенностью зародышевых субмикро­ скопических трещин, отличающей их от стабильных микротрещин, оказалась их идеальная острота, при которой радиус вершины трещины равен межатомному расстоянию в кристаллической ре­ шетке. Примечательно, что эта острота сохраняется и в момент, когда размер зародышевой трещины становится критическим, т. е. удовлетворяет энергетическому условию Гриффитса. Именно это позволило распространить хорошо разработанную для хрупких ма­ териалов модель Гриффитса на квазихрупкое разрушение обычных металлов. Такой подход сразу упростил всю физическую часть

5

ГЛАВА 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1.1. Краткие сведения о влиянии структурного состояния на прочность и пластичность сталей

Прочность металлических изделий как основ­ ная характеристика их служебной надежности не теряла актуальности на протяжении всей истории развития тех­ ники. Однако наибольшую остроту эта проблема приоб­ рела в современную эпоху, когда для решения новых технических задач потребовалось резко повысить интен­ сивность использования несущей способности металла, и в частности так называемую весовую отдачу, т. е. спо­ собность нести силовую нагрузку при минимальном рабо­ чем сечении или весе элемента конструкции. Такие тре­ бования в первую очередь предъявляются к летатель­ ным аппаратам, где широко применяются высокопроч­ ные материалы. Однако практическое использование сталей и сплавов с повышенной или высокой прочно­ стью оказалось делом далеко не простым в связи с резко возросшей вероятностью внезапного разрушения конструкции. Печальную известность получили случаи разрушения кораблей в годы второй мировой войны [1], металлических мостов, трубопроводов, газгольдеров и других изделий [2]. Именно этот этап в истории техники послужил толчком к развитию современного научного подхода к проблеме прочности и разрушения металли­ ческих конструкций. С этого времени начинается глубо­ кое внедрение физических идей в металлургию, появля­ ется сама наука физика металлов как самостоятельная область исследований, нацеленная на выяснение приро­ ды сложных внутренних явлений в металлах и сплавах. До этого единственным носителем научных знаний в про­ блеме прочности и разрушения являлись классическая механика, рассматривавшая материал как однородное, изотропное упруго-пластическое твердое тело без учета

7

атомно-кристаллической и металлургической структуры металла.

Принципиальным отличием подхода физики к про­ блеме разрушения явилось рассмотрение этой задачи на основе анализа структурного состояния металла. При этом в понятие структуры металла входят не только общие металлографические характеристики — зерно, ко­ личество и форма частиц второй фазы, инородных включений, но и тонкое структурное состояние самих зе­ рен и частиц, а также дефекты кристаллического строе­ ния атомной решетки металлов. Развитие техники физи­ ческого эксперимента в области металловедения явилось прямой предпосылкой создания новых научных представ­ лений о природе прочности и пластичности металлов, которые в настоящее время целиком основываются на положениях дислокационной теории. Успехи дислокационой теории общеизвестны, и главная ее заслуга со­ стоит в том, что она впервые дала возможность ввести численный математический расчет в условия поведения кристаллического материала с конкретными физически­ ми свойствами под нагрузкой.

Физика дислокаций позволила объяснить причины чрезвычайно сильного расхождения между величинами теоретической прочности кристаллической решетки ме­ таллов сгте0р и реальной прочностью поликристаллических металлов и сплавов, составляющей 0,1—0,01 аТеор. Однако спустя два-три десятилетия после начала интен­ сивного развития дислокационной теории все еще не существует полной теории прочности и разрушения ме­ таллов, которая позволила бы вести инженерный расчет прочности конструкций на основе физических представ­ лений о структурном состоянии металла, хотя все необ­ ходимые предпосылки к такому решающему шагу в на­ стоящее время, казалось бы, уже налицо. Но по-преж­ нему инженерные расчеты прочности конструкций ведут­ ся на основе гипотез (теорий) прочности, в которых металл рассматривается как сплошное изотропное де­ формируемое твердое тело. Естественно, при таком под­ ходе, как и много веков назад, указанная задача носит сугубо эмпирический характер, так как основной упор по-прежнему делается на всестороннее лабораторное ис­ следование механических характеристик как самого ма­ териала, так и элементов конструкций и изделий в це-

8

лом. Такой, в сущности экспериментальный, подход остается господствующим в инженерной практике и се­ годня, несмотря на существование совершенно четких физических представлений об атомной природе дефор­ мации и разрушения металлов. Суть парадокса состоит в том, что физика и механика разрушения металлов еще не стали единой наукой, а рассматривают одно и то же общее явление каждая со своих позиций, в рамках свой­ ственной ей методологии. И соединения этих наук в еди­ ную физическую теорию конструкционной прочности ме­ таллов нельзя достичь путем формального объединения их предметов исследования в одну проблему разруше­ ния. Это может произойти только на основе такой фор­ мулировки модели процесса, в которой одновременно проявились бы коренные признаки предметов исследо­ вания как физики, так и механики разрушения металлов.

Таким общим объектом исследования обеих наук, ко-н нечно же, является микротрещина в металле, рождение и катастрофическое развитие которой охватывает и объединяет все явление разрушения в целом. Именно j такая постановка задачи, при которой и физика метал­ лов и механика, каждая своими средствами, одновре­ менно описывали бы соответствующие этапы зарожде­ ния и развития трещин, могли бы быть, с нашей точки зрения, перспективной для формулировки инженерной задачи прочности на языке физических терминов. Но это неизбежно предполагает участие структурных харак­ теристик материала в формулах и критериях конструк­ ционной прочности. Таким образом, рождение физиче­ ской теории прочности металлических конструкций явля­ ется сегодня вполне назревшей задачей, целиком отве­ чающей требованиям современной инженерной практики.

Без такой теории новейшие достижения физики ме­ таллов и физического металловедения в области прочно­ сти могут применяться лишь в виде качественных соо­ бражений и рекомендаций по целесообразным техноло­ гическим схемам обработки сплавов, направленным на получение оптимальных структурных состояний, отве­ чающих конкретным условиям эксплуатации изделий, но это, конечно, лишь незначительная часть того, что может получить практика от такой фундаментальной науки, как физика металлов. В технике в качестве конструк­ ционных используются преимущественно среднеуглеро­

9

дистые, в том числе легированные стали, которые долж­ ны иметь достаточно высокие значения предела текуче­ сти (ат) и прочности (сгв) (временного сопротивления) достаточно высокое сопротивление разрушению (сгр) г низкую температуру перехода от вязкого в хрупкое со­ стояния (Гщ,). Улучшение каждой из этих характеристик требует специфических подходов, нередко противореча­ щих друг другу. Упрочнение сталей достигают nyTeN легирования, повышения плотности дислокаций в резуль тате дозированного деформирования (прокатка, волоче ние) или фазовых превращений (закалка) или их ком бинированием, блокированием дислокаций примесям* внедрения (старение), выделениями частиц второй фазь (карбидов или интерметаллидов), измельчением основ ных единиц микроструктуры, которыми обычно являют ся зерна, но в общем случае ими могут быть любьк микроструктурные области, границы которых — эффек тивные препятствия для движения дислокаций (субзер на, фрагменты, ячейки, блоки и т. п.) [3]. Повышение пластичности может быть достигнуто двумя принципи ально различающимися путями: во-первых, средствами противоположными упрочнению, т. е. облегчением по движности дислокаций, что практически полезно лиип в операциях технологической обработки изделий для ю формоизменения (прокатка, волочение, ковка, прессова ние, глубокая высадка и т. п.) и, во-вторых, за сче' повышения сопротивления хрупкому разрушению. Вто рой путь единственно приемлем при необходимости уве личить пластичность или запас вязкости высокопрочной конструкционного материала. Это достигается получени ем в процессе термической обработки мелкого зерш аустенита и соответственно мелкого эффективного зер на продуктов его превращения, формированием однород ной структуры и субструктуры, понижением содержаниз вредных примесей и неметаллических включений, сниже нием уровня локальных внутренних напряжений (та! называемых пиков микронапряжений), обеспечение* однородности распределения легирующих элементов Смысл этих мер состоит в формировании возможно бо лее однородной и дисперсной структуры как основной условия, затрудняющего возникновение больших локаль ных концентраций напряжений, представляющих co6oi обязательную предпосылку зарождения микротрещи

10