2421

ний Ов даже начинает снижаться (рис. 4.2). Отсюда сле­ дует вывод, что углерод в стали в качестве главного фак­

тора упрочнения при концентрациях свыше 0,4% не только не полезен, но даже вреден, так как ведет к ох­ рупчиванию, проявляющемуся в снижении показателей пластичности &(%), ф(%), ан и в увеличенном разбросе

значений о£. В то же время в результате применения специальных средств термообработки, а именно за счет перехода от длительного печного нагрева при аустениза­ ции закаливаемой стали к скоростному электроконтактному или индукционному при ограниченном содержании углерода удается резко повысить механические характе­ ристики конструкционной стали [88], [89], и кривая 2

191

чиванию при содержании углерода более 0,4% тоже про­

высокопрочных сталей, отпущенных после закалки с печ­ ного и индукционного, т. е. скоростного нагрева.

По мере повышения временного сопротивления о„, обусловленного увеличением количества углерода в сталях, показатели пластичности (5, %) постепенно снижаются.

Обратим внимание, что конструкционная прочность о*, оцениваемая как максимальное напряжение в момент раз­ рушения трубы под давлением, вначале (при сравнительно низких ов) немного превышает величину оЕ, а затем ниж­

ний предел Ов сравнивается с ов и опускается даже

ниже. Причины такой взаимосвязи ов и ов при повыше­ нии содержания углерода в стали любопытно обсудить.

На первый взгляд кажется естественным объяснить наблюдаемое охрупчивание изделий непосредственным влиянием углерода в стали на ее свойства. Но, во-пер­ вых, это выглядит естественным лишь по отношению к характеристике пластичности, так как понижение пла-

192

стичности в этом случае может считаться вполне зако­ номерным, во всяком случае воспринимается как при­ вычное следствие увеличения содержания углерода в стали. Во-вторых, и это привычное для опытного тех­ нолога следствие требует своего физического объясне­ ния. Но главный эффект— прямое влияние углерода на

в области повышенного содержания углерода продол­ жает нормально возрастать без усиления разброса зна­ чений ав. Такое различие в характере поведения а£ и

<7Втребует своего объяснения.

Прежде всего целесообразно сделать теоретический

расчет величины ов и сопоставить его с опытом. Сделать это нетрудно, если уяснить физический смысл характе­

ристики ов в данном случае. При нагружении трубы внутренним давлением начало текучести определяется критерием Мизеса: а( = ат, где ат —лабораторный пре­ дел текучести, определяемый при одноосном растяжении как о02. Учитывая, что величина <зв есть также некоторая определенная стадия течения, более поздняя, чем аог, можем и к этому моменту нагружения применить ана­ логичный критерий: otD= ав. Если при одноосном растя­ жении образцов ав соответствует максимальной нагрузке перед образованием «шейки» то при нагружении внут­ ренним давлением величина «з(В соответствует максималь­ ному давлению в момент разрыва трубы Р тах = Р в, по которому можно вычислить максимальное значение глав­ ного напряжения в этот момент oiB:

ибо на опыте значения ов определяются именно по (4.19). Между 01В и С(В имеется связь, вытекающая из вида напряженного состояния ot- = (3ai:

Индунционная замална

250г

250V П ечная за мална

<5в(э)

закалка, отпуск.

Расчет по (4.20) теоретических значений величин кон­

струкционной прочности Ор (т), исходя из известных дан­ ных по лабораторной прочности aD (табл. 6), был вы­ полнен для обоих видов обработки сталей и приводится на рис. 4.3 и 4.4.

Отмечается соответствие расчетных а* (т) и экспери­ ментальных Ов(э) величин конструкционной прочности в

пределах статистического разброса о" (э) лишь при сравни­ тельно малых содержаниях углерода — не выше 0,35%. Далее корреляция нарушается и расчетные значения идут значительно выше экспериментальных. Вряд ли можно полагать, что критическое значение имеет сами по себе концентрация углерода 0,35%, выше которой соответствие между теорией и опытом не соблюдается.

194

кривой одноосного растяжения и поэтому состояние охрупчива­

ния а? > окр наступает раньше, при более высокой температуре ТКр2> Гкр1, следовательно, при

меньшем значении одноосного предела текучести от <

< а? = окр. Нечто аналогичное наблюдается и в рассмат­ риваемом нами случае повышения прочности при увели­ чении содержания углерода. Хотя причины повышения

тем не менее суть отмечаемого эффекта остается неизмен­ ной. Обратившись к рис. 4.3 и 4.4, отметим уровень конструкционной прочности, выше которого нижний пре­

мерно 215 кгс/мм2. Эти уровни о* играют роль некото­ рых пороговых значений конструкционной прочности, потому что при конструкционной прочности ниже этого уровня наблюдается соответствие между расчетной, теоре­

тической конструкционно.! прочностью Ов (т) и экспери-

ментальной о* (э), т. е. проявляется типичный случай разрушения конструкции по второму типу разрушения. Выше пороговых уровней 200 и 215 кгс/мм2 происходит разрушение первого типа, стимулированное внутренними дефектами. Поскольку в данном случае никаких макро­ скопических дефектов в изделиях не имеется, то при­ чиной относительного понижения опытных значений кон­ струкционной прочности в сравнении с ожидаемыми тео­ ретическими являются естественные микроскопические дефекты структуры закаленной стали — микронапряже­ ния, неметаллические включения, неоднородности струк­ туры и т. п. Как было показано в разделе 2.7, специфи­ ческая вредная роль микродефектов в конструкции может проявиться только в случае, если фактическое нагруже­ ние превысит уровень о1ф материала при наличии соот­ ветствующей жесткости напряженного состояния (рис. 2.28). На этом основании указанные выше пороговые значения конструкционной прочности приближенно можно принять в качестве критического напряжения хрупкого разруше­ ния соответственно для печной и индукционной обра­ ботки — оКр.п — 200 кгс/мм2 и оКр.и = 215 кгс/мм2. Истинные значения окр должны быть несколько более высокими в силу неучтенного нами влияния шероховатости поверх­ ности.

Теперь данные на рис. 4.3 и 4.4 можно трактовать так, что занижение и увеличенный разброс эксперимен­

тальных данных о” (э) в сравнении с теоретически рас­

считанными Ов (т) начинается как раз после того, как кон­ струкционная прочность достигает соответствующего уров­ ня окр. И в том, и в другом случае это отвечает одина­ ковому пороговому значению концентрации углерода в стали 0,30 — 0,35%, но при более высоком значении

Ов (э) для индукционной закалки. Отсюда становятся по­ нятными, что не само по себе наличие избыточного коли­ чества углерода, а превышение определенного крити­ ческого значения лабораторной прочности овгпах является причиной охрупчивания изделий из высокопрочной стали. Величина ов тах — максимально допустимого уровня проч­ ности стали для данного изделия определяется условием,

при котором Ов достигает оЛр (рис. 4.3, 4.4) и может быть вычислена по формуле

196

стигнет уровня акр. Таким об­ разом, пределы рационального упрочнения стали ограни­

чиваются все той же фундаментальной характеристикой физики разрушения — аКр. Сказанное можно проиллю­ стрировать на структурно-силовой диаграмме разруше­ ния (рис. 4.6). При размере зерна (или «пакета») d \ лабораторная прочность аВ2 (при одноосном растяже­ нии) находится в области вязкого поведения материа­ ла, где ств < о КрНо конструкционная прочность, увели­ ченная за счет жесткости напряженного состояния о£2=

аВ2

=—р- для данного зерна переходит за уровень сгКр и

конструкция оказывается в зоне хрупкого поведения того же материала (т. А). Как видим, совершенно безразлич­

го состояния, результат во всех случаях получается один — как только прочность превысит уровень акр, на­ чинается охрупчивание. Поэтому возникает возможность сформулировать общее правило рационального упрочне­ ния материала, позволяющее ограничивать пределы

197

максимального упрочнения без опасения понизить пла­ стичность ниже допустимого уровня. Сделать это можно, опираясь на уже известный коэффициент запаса Вязко­ сти Кв = акр/ат (или аКр/ав, что оправдано во многих практически важных случаях).

Коротко правило рационального упрочнения сводит­ ся к тому, что при любых видах упрочняющих обрабо­ ток надо стремиться к тому, чтобы величина Кв либо сохранилась на том же уровне, либо не уменьшалась ниже порогового значения /Свты» заранее установленно­ го на опыте.

Величина Кв min может быть разной в зависимости от вида, назначения и характера Использования материала. Например, мы уже видели ранее (гл. 3), что в области надрезов, выточек, галтелей эта величина прямо зависит

(В* %; ф, %), вязкости (ак, аТу), предельные значениякото«

рых оговариваются техническими условиями. Для того

а

чтобы величина К в — —- сохранилась, относительное из-

Как видим, в этом случае рациональное упрочнение обя­ зательно должно быть сопряжено с согласованным по­ вышением аКр, т. е. измельчением зерна. Если мы можем немного снизить Кв до значения Кв min. тогда уровень допустимого упрочнения повысится до максимального:

' в m in

198

Если же повлиять на размер зерна возможности нет, максимально допустимый уровень упрочнения материа­ ла по пределу его текучести ат определится соотноше­ нием

(4.23)

Таковы практические рекомендации по оптимизации процессов упрочнения сталей, вытекающие из физиче­ ских представлений о разрушении.

Так, казалось бы, неожиданно, рассмотрение физи­ ческой природы разрушения привело к возможности физической трактовки характеристик вязкости и преде­ лов рационального упрочнения стали. В действительно­ сти в таком выводе нет ничего удивительного, посколь­ ку, как оказалось, фундаментальные характеристики разрушения о1ф и вязкости /Св весьма тесно связаны между собой. Таким образом, физика разрушения зани­ мает ключевое положение в системе научных представ­ лений о физической природе прочности и пластичности сталей. Физическая теория конструкционной прочности становится закономерной новой ветвью в этом научном направлении.

4.3. Оптимизация структурного состояния высокопрочной стали

Выше в разделе 2.8 были обсуждены особен­ ности, которые отличают углеродистую сталь как кон­ струкционный материал, от технического железа, рас­ сматриваемого в физике прочности чаще всего в каче­ стве модельного объекта. В отличие от железа, перлит­ ная или феррито-перлитная сталь обладает двумя структурными характеристиками, контролирующими разрушение,— размером зерна и толщиной цементитных пластин. Существование в стали двух механизмов ини­ циирования разрушения, каждый из которых контроли­ руется определенным структурным параметром, сразу же приводит к необходимости рационального изменения структуры, наилучшим образом отвечающей конкретным требованиям эксплуатации изделия. Возникает понятие оптимизации структурного состояния, означающее, что монотонное совершенствование структуры на базе

199

какого-то одного параметра, например, размера зерна, не позволяет достичь максимальной прочности, так как конкурирующий фактор (толщина цементных пластин) в какой-то момент из-за нарастающего охрупчивания сводит на нет предпринятые усилия. Следовательно, улучшение структурного состояния стали должно осуще­ ствляться согласованным образом, когда пределы изме­ нения одной характеристики зависят от фактического уровня другой. В известном смысле это можно тракто­ вать как своеобразное «конструирование» структуры ста­ ли средствами физики металлов и металловедения.

Проиллюстрируем сказанное на структурно-силовой диаграмме разрушения (см. рис. 4.6).

Повышение прочности стали (ат) ведет к обязатель­ ному снижению пластичности, если акр при этом оста­ ется неизменным, так как коэффициент запаса вязко­ сти Кв = стНр/ат снижается. Такой путь упрочнения явно нецелесообразен, но нередко возникает непреднамерен­ но, например, при старении, приводя к охрупчиванию материала.

Другой путь — повышение прочности за счет увели­ чения содержания углерода в стали, т. е. за счет повы­ шения стопорного действия цементитных включений при увеличении их количества. В этом случае, как было показано в предыдущем разделе, также необходимо за­ ранее побеспокоиться о повышении сгКр соответствующим измельчением зерна, иначе падение пластичности не по­ зволит реализовать нужный уровень прочности. Хорошо известно стремление технологов-машиностроителей до­ биться мелкого зерна в изломе стали — издавна освоен­ ный прием улучшения ее качества [72]. Но на этом пути, как видно из рис. 4.6, имеется скрытое препятствие в виде перехода акр с генеральной зависимости Kv d~ 1/* на горизонтальную «полочку» в закритической области структурных состояний стали (ок р), где d/tn < 550. По­

вышение прочности в этой области значений d/tn, не­ смотря на измельчение зерна, не приводит к желаемому улучшению качества стали, пластичность неизбежно па­ дает, так как запас вязкости Кв будет снижаться. Един­ ственным выходом из такого положения может быть только измельчение цементитных пластин, т. е. переход к более дисперсной феррито-цементитной структуре ста­ ли за счет средств термообработки: применение норма-

200