2421

усталостным способом. Таким образом, физически обос­ нованное условие прочности (2.41—2.42) содержит одно­ временно и определенную безопасность в отношении ми­ кроскопических стабильных трещин в металле.

Итак, усовершенствование методики расчета конст­ рукции, вытекающее из физической теории, сводится к надлежащему совместному учету напряженного состоя­ ния и размера зерна .металла, представляющего собой фундаментальную структурную характеристику конст­ рукционного материала, важность которой давно под­ тверждена практикой [72].

В заключение необходимо отметить, что приведенная рекомендация (2.41—2.42) по-существу совпадает с ра­ нее предложенным Г. В. Ужиком [73] феноменологиче­ ским условием прочности, основанном на соотношениях

Тщах Тт,

<3 |< Roy

где Rj — введенная автором [73] характеристика сопро­ тивления отрыву от нормальных напряжений, которая в свое время не получила должного признания из-за не­ ясности ее физического содержания. Но сейчас становит­ ся очевидным, что по своей роли в процессе разрушения R3 соответствует а,ф и, таким образом, предложенный здесь способ расчета прочности по соотношениям (2.41— 2.42) представляет собой физически интерпретированный подход Г. В. Ужика.

2.7. Специфическая роль микротекучести в хрупком разрушении

Несмотря на близость физической сущности явлений микро- и макротекучести, отличающихся толь­ ко в количественном отношении друг от друга, тем не менее на реализацию условий хрупкого разрушения в металлах они оказывают далеко не одинаковое влияние.

Прежде всего, критерий хрупкого разрушения на ста­ дии микротекучести (а можно даже сказать — на преде­ ле упругости оу) численно почти вдвое больше, чем для

101

макротекучести. Подставив в (2.33) тэм для микротеку­ чести из (2.3) имеем

( а 0,25; f = 1.8* 10~4кгс/мм; Е =2* 104 кгс/мм2; v=0,25).

Прямая окр (у) идет выше линии акр (рис. 2.29), это оз­ начает, что размеры субмикротрещин, зарождающихся на стадии упруго-пластической деформации, значительно меньше, чем на этапе макротекучести, в силу чего им соответствуют более высокие гриффитсовские напряжения. Но и критерий хрупкого (лучше сказать, «сверххрупкого») разрушения в этом случае надо получать из сопоставления окр (у) не с началом общей текучести ох, а с пределом упругости ау

разрушение будет контролироваться оу, где ay >32d~1'2; между ок р 1 и йлр2 зародышевые трещины возникают рань­ ше, чем могут привести к разрушению, так как оу < окр (у), поэтому значения напряжений разрушения будут заданы прямой окр (у) = 32d~l/2 до пересечения с прямой текучести (участок А Б) и далее условия разрушения будут контро­ лироваться величиной от вплоть до размера зерна dKpз (участок Б В).

Таким образом, у хрупких материалов с достаточно крупным зерном напряжение хрупкого разрушения мо­ жет резко понизиться от уровня ат до уровня ау, созда­ вая эффект внезапного разрушения при напряжениях существенно ниже предела текучести. Такой вид разру­ шения материалов часто является непредвиденным и по­ тому воспринимается как результат каких-то конструк­ тивных просчетов. Степень внезапного понижения разру­ шающего напряжения при снижении температуры соот­ ветствует разности От — ау и она тем выше, чем ниже предел упругости материала. Поскольку внутренние ма­ кро- и микронапряжения, неизбежно возникающие в результате применения упрочняющих обработок (закал­ ка, наклеп и т. п.), понижают предел упругости, то высо-

102

копрочные материалы должны обнаруживать повышен­ ную склонность к внезапному падению ар при охлажде­ нии ниже определенных температур. Но даже для малопрочного железа этот эффект может проявиться очень сильно, если внутренние напряжения сочетаются с разнозернистостью структуры. Не исключено, что имен­ но такие эффекты «сверхохрупчивания» железа и сталей при низких температурах испытания отмечались в рабо­ тах [35, 61, 63] (рис. 2.30).

На рис. 2.29 видно, что эффект внезапного «сверх­ охрупчивания» сильнее может проявляться у мелкозер­ нистых, т. е. высокопрочных материалов. Тем самым усугубляется его опасность. Но еще сильнее способству­ ет его проявлению переход к жесткому напряженному состоянию (группа линий 2 на рис. 2.29), что, естествен­ но, связано с резким повышением общего уровня нор­ мальных напряжений при сохранении тех же условий зарождения трещин, контролируемых касательными на­ пряжениями. Следовательно, выбор материала для кон­ струкций, работающих в условиях жестких напряженных состояний, должен учитывать опасную возможность ран­ него зарождения субмикротрещин на стадии микротеку­

103

чести, поэтому нецелесообразно рекомендовать для этих целей стали с низким пределом упругости. Крайне важ­ но обеспечить однородность размера зерен, а также сня­ тие внутренних микро- и макронапряжений применением соответствующей термической или механотермической обработки [74].

Из сказанного следует, что процессы микротекучести играют весьма специфическую роль в разрушении, яв­ ляясь прямой причиной внезапного понижения прочно­ сти металлической конструкции в особых условиях экс­ плуатации — низкие температуры, динамические нагруз­ ки, жесткое напряженное состояние.

Располагая критериями (2.34) и (2.43), можно зара­ нее предсказать возможность перехода разрушения от акр к акр(у) в известных условиях эксплуатации, осно­ вываясь на данных лабораторного анализа структуры (d), механических свойств — ат и ау, а также внутрен­ них микро- и макронапряжений.

Таковы важнейшие физические представления, кото­ рые могут быть положены в основу явления разрушения поликристаллических материалов в условиях сложного напряженного состояния. Отсюда вытекают некоторые практические выводы по рациональным способам расче­ та конструкций на прочность, которые будут рассмотре­ ны в гл. 4.

2.8. Особенности разрушения сталей

сгетерогенной структурой

Внастоящем разделе будет рассмотрен вопрос

оприменимости основных положений физики разруше­

ния, разработанных выше, к сталям с гетерогенной, т. е. неоднородной по фазовому составу структурой. Строго говоря, все конструкционные углеродистые стали в зака­ ленном и отпущенном (так называемом улучшенном) состоянии являются гетерогенными, а именно двухфаз­ ными сплавами, содержащими наряду с основной (ма­ тричной) фазой — ферритом — включения второй ф а ­ зы — карбида железа, чаще всего легированного цемен­ тита либо специального карбида. Поэтому физические закономерности разрушения, установленные на однофаз­ ном железе или на практически однофазной малоуглеро­ дистой стали, где наличие частиц карбидов еще не ска­

104

зывается в заметной мере на условиях разрушения, тре­ буют уточнения и анализа их применимости для сталей, содержащих достаточно большие количества углерода. И уж совершенно очевидна необходимость проверки вы­ водов теории на перлитных сталях эвтектоидного типа, содержащих углерод в большом количестве (до 0,8% и более), у которых объемное содержание карбидных ча­ стиц превышает 10—15%. Можно не сомневаться, что основные характеристики физики разрушения (акр, Кв = = (Укр/сгт) каким-то образом будут зависеть от количест­ ва, размера и формы частиц второй фазы. Поэтому в настоящем разделе специально рассмотрим вопрос о закономерностях разрушения сталей с перлитной струк­ турой, типичным представителем которой является угле­ родистая сталь марки 70 или У8. В отожженном или нормализованном состоянии эти стали обладают харак­ терной структурой пластинчатого перлита, состоящего из правильно чередующихся пластин феррита и цементи­ та, образуя так называемые перлитные колонии (перлит-, ные зерна). Толщина ферритных пластин (ферритных промежутков) А и толщина цементитных пластин /ц мо­ жет изменяться в широких пределах в зависимости от условий термообработки, а именно от температуры изо­ термического распада переохлажденного аустенита.

При медленном охлаждении стальных образцов вме­ сте с печью после высокотемпературного нагрева (900— 1000° С) (отжиге) получается грубопластинчатый пер­ лит с толщиной цементитных пластин около 0,1—0,2 мкм и 0,5—1,0 мкм [7]. Если распад аустенита идет с охлаждением стали на воздухе (нормализация) или изо­ термически в ванне с расплавом соли при температуре около 500° С (патентирование), то получается тонкопла­ стинчатый перлит, часто называемый сорбитом патентирования, с толщиной ферритных промежутков А « 0,1-г-

структуры, оказывают первостепенное влияние на проч­ ностные характеристики стали — условный предел теку­ чести о02 и временное сопротивление аь (см. рис. 1.3). В работе [7] подробно изучался вопрос о природе проч-. ности перлитных сталей, где было показано, что проч­ ность перлита с пластинчатой структурой может быть описана известной зависимостью Холла — Петча (1.1),

105

если вместо размера зерна d использовать величину фер­ ритного промежутка А в перлите, исправленную на фи­ зически реализуемую длину линии скольжения в межцементитном промежутке ДС=4,75Д (1.2):

где стов — сопротивление движению дислокаций в фер­ ритной составляющей стали при достижении предела прочности; Кв — коэффициент, близкий к параметру /Ст в уравнении Холла — Петча и равный для стали около 2 кгс/мм8/*. Опыт показывает, что измельчение перлит­ ной структуры стали, т. е. уменьшение межцементитного промежутка приводит к линейному повышению проч­ ности в зависимости от А- ‘/f (см. рис. 1.3). При более

корректном рассмотрении этого вопроса формулу (1.2) следовало бы немного изменить, добавив в нее одно сла­ гаемое Кв^~1/г, учитывающее дополнительное упрочне­ ние, вызванное сопротивлением течению границ перлит­ ных зерен. Разумеется, в данном случае речь идет о гра­ ницах действительного зерна в стали, т. е. перлитных колоний, а не о бывших границах зерен аустенита. В этом существенное отличие понятия размера зерна d для железа и перлитной стали. В железе не существует подобной дилеммы, так как в структуре наблюдаются лишь действительные ферритные зерна, размер которых легко определяется под микроскопом. Прочность перлит­ ной стали, таким образом, должна описываться более сложной формулой (1.3)

Ki4nl/2t вносимый в прочность стали, на порядок меньше,

чем от перлитного слагаемого /СвАс , ибо Ас минимум на два порядка меньше размера зерна dn. Но хотя абсо­ лютное значение упрочнения от границ перлитных зерен для стали сравнительно невелико, особенно у крупнозер­ нистых структур, для условий разрушения конкурирую­ щая роль зерна может оказаться решающей.

Казалось бы, что цементитная пластина в перлите не может иметь прямого отношения к силовым условиям хрупкого разрушения, т. е. не может стать непосредствен­ ным источником хрупкого скола в силу своих малых геомет­ рических размеров. Однако простой расчет показывает,

106

надо добавить, что в перлитных сталях роль цементит­ ных пластин в качестве источника разрушения может оказаться более ощутимой, чем в малоуглеродистых, изза определенной кристаллографической ориентации пла­ стин феррита и цементита, в силу чего срез цементитных частиц происходит не по наименьшему размеру пла­ стин — ее толщине, а по сильно наклоненной плоскости скольжения, увеличивающей толщину среза почти в пять раз [7]: /Ср *= 4,75 /ц (рис. 2.31).

Удвоенную величину косого среза цементитной пла­ стины в перлите можно рассматривать как максималь­ ный размер субмикротрещины, инициированной пласти­ ческим сдвигом в перлитной стали (рис. 2.32) :

сгр =9,50/ц^ 10/ц.

107,

Отсюда по Гриффитсу легко получить выражение для на­ пряжения хрупкого разрушения, источником которого может оказаться такой срез перлитной колонии:

«5 = п j / " = п j / " .Щ - = Кц/ц"172 кгс/мм2, (2.44)

где Кц = я j / ^ » 0,78 кгс/мм2; /ц— в мм; п — фактор

ориентировки, равный приблизительно 1,15. Оценим ве­ личину о“ для перлита отожженной стали: /ц =*

в 0,1 мм = Ю-4 мм, а£ «=* 0,78 • 102 = 78 кгс/мм2, что

является вполне разумной величиной для хрупкой проч­ ности отожженной стали [75]. Примечательно, что в ра­ боте [76] напряжение хрупкого разрушения отожженных сталей оставалось одинаковым, хотя содержание угле­ рода изменялось от 0,2 до 1,0%. Это, естественно, наво­ дит на мысль, что не феррито-перлитная составляющая, а именно цементитная фаза в этих сталях оказалась ответственной за инициирование процесса разрушения.

Рис. 2.32, Срез цемент мл:ых пластин перлита при пластической де­ формации отожженной етали с0,7%С (но 17.6J).

108

Заметим тут же, что цементитная пластина в перлит­ ном эвтектоиде значительно более эффективна в каче­ стве источника разрушения, чем одиночные пластинча­ тые выделения на границах зерен в малоуглеродистых сталях, рассматривавшихся в работах [31, 53, 62, 67]. Это вполне понятно, если вспомнить, что при одинаковой

« 10/ц), а соответствующая величина Огр примерно в три раза меньше, чем в случае одиночного цементитного включения на границе ферритных зерен [31, 53, 62, 67]. Но не следует забывать, что как в том, так и в другом случае наряду с растрескиванием цементита в полосах скольжения существуют возможности зарождения ди­ слокационных субмикротрещин на границах зерен. Раз­ меры этих субмикротрещин, непосредственно связанные с размером зерна d (с3 « 1/70 d), могут оказаться боль­ ше удвоенных срезов цементитных пластин и тогда преи­ мущественные возможности распространения будут не у цементитных, а у зеренных субмикротрещин. Значит, у перлитных сталей может существовать два независи­ мых субмикроскопических источника разрушения — либо зеренный (зарождение субмикротрещин на границе пер­ литных зерен подобно поликристаллическому железу), либо цементитный (инициирование субмикротрещин в срезах цементитных пластин). В соответствии с этим можно различать два микромеханизма инициирования разрушения — гомогенный, зеренный (подобный меха­ низму разрушения на железе) и гетерогенный, цементит­ ный, свойственный только сталям с достаточно большим количеством углерода. Поскольку существует конкурен­ ция двух механизмов инициирования разрушения, то ре­ зультирующая силовая характеристика разрушения — напряжение ар — определяется тем, какой из двух струк­ турных факторов — зерно перлита dn или пластина це­ ментита — дал трещину большего размера. Из двух возможных уровней разрушающего напряжения оКр (d) и ар (^ц) реализуется тот, который будет соответствовать большей субмикротрещине, т. е. меньшему значению агр. Не будем забывать что это, меньшее из двух напряже­ ний разрушения, обязательно должно быть больше на­ пряжения течения ат, иначе не сможет возникнуть ни зеренная, ни цементитная субмнкротрещины.

109

Итак, критическим, переходным условием от одного микромеханизма разрушения к другому будет равенство

Отсюда критическое соотношение между структурными параметрами стали:

^ 550. (2.46)

Это значит, что если у стали зерна достаточно крупные (dn > 6(ШЦ), то разрушающее напряжение будет соот­

ния окажется ниже сгир. Таким образом, на структурно­ силовой диаграмме разрушения перлитной стали долж­ ны наблюдаться области, где параметры разрушения железа и стали совпадают, а также области, где напря­ жения хрупкого разрушения железа и стали различа­ ются.

Опытная проверка этого предположения была осуще­ ствлена в работе [75]. Сталь 70 отжигалась в печи при температуре 1050° С с последующим охлаждением вме­ сте с печью. Была получена структура грубопластинча­ того перлита, причем за счет различного времени аусте­ низации размер перлитного зерна на разных партиях об­ разцов удалось обеспечить от 10 до 210 мкм при одина­ ковой дисперсности перлита. Измерения напряжения разрушения показали, что в пределах разброса серии образцов с наиболее крупным перлитным зерном удов­ летворяют критерию хрупкого разрушения железа (рис. 2.33), серии с меньшими размерами зерен оказались в области ниже аКр.

Поскольку при отжиге стали весьма трудно добить­ ся достаточно мелкого перлитного зерна, чтобы заведо­ мо выполнялось критическое условие (2.46) перехода к цементитному источнику разрушения, то опыты были продолжены на той же стали, обработанной на более дисперсную перлитную структуру путем изотермической закалки в соляную ванну с температурой около 500° С (патентирование) или простым охлаждением образцов на спокойном воздухе (нормализация). Серия экспери­ ментальных точек для сталей с более дисперсной струк-

110