Глава 17. Факторы, влияющие на прочность и разрушение материалов

Причина снижения прочности в том, что с повышением температуры усиливаются тепловые колебания атомов. Для перемещения атома из одного положения в другое необходимо преодолеть потенциальный барьер, то есть совершить работу за счет суммарного действия напряжений и тепловых колебаний атомов.

Понятно, что чем больше энергия тепловых колебаний, тем меньше напряжение, необходимое для пластической деформации. Кроме того, за счет термического расширения кристаллической решетки, увеличивается расстояние между атомами и уменьшаются силы межатомных связей.

Характер влияния на прочность материалов скорости деформации и температуры в принципе одинаков. Провести испытания материала на прочность при изменении температуры значительно проще, чем при изменении скорости деформации.

Для сравнения влияния скорости деформации и температуры часто используют приближенную связь между ними.

Сравнительная оценка

Снижение температуры на 15 градусов примерно эквивалентно увеличению скорости деформации в 10 раз.

17.3. Переход от пластического разрушения к хрупкому

В природе нет хрупких и пластичных материалов, а есть хрупкое и пластическое разрушение. В зависимости от условий эксплуатации большинство материалов может разрушаться и пластично и хрупко.

Хрупкое разрушение опасно тем, что оно происходит внезапно и мгновенно, зачастую сопровождаясь катастрофическими последствиями.

Задача конструктора изучить условия хрупко-вязкого перехода и ни в коем случае не допустить перехода материала конструкции из пластического состояния в хрупкое в процессе эксплуатации конструкции.

Пластическая деформация и хрупкое разрушение не связаны между собой, они совершаются различными механизмами и зависят от различных внешних и внутренних факторов.

Пластическое течение начинается в металле деформацией сдвига и вызывается действием касательных напряжений, в то время как отрыв одной части тела от другой совершается под действием только нормальных напряжений.

Под действием пластической деформации рост нормальных напряжений в теле резко замедляется, что затрудняет хрупкое разрушение отрывом. Характер разрушения тела определяется соотношением нормальных и касательных напряжений в теле и соотношением двух механических характеристик материала: сопротивлением сдвигу, при котором начинается пластическая деформация τт , и сопротивлением отрыву

Sот , при котором происходит хрупкое разрушение.

Сопротивление сдвигу τт связано с напряжением трения, необходимым для движения дислокаций. При растяжении образцов можно принять предел текучести σт ≈ 2τт . Как уже отмечено, предел текучести растет с понижением температуры.

Сопротивление отрыву Sот — это номинальное напряжение в растягиваемом

образце, при котором происходит хрупкое разрушение, т.е. напряжение при вершине микротрещины достигает теоретической прочности (при отсутствии пластических деформаций).

Сопротивление отрыву практически не зависит от температуры, лишь предшествующая пластическая деформация, упрочняя материал, незначительно повышает сопротивление отрыву.

Переход материала из пластичного состояния в хрупкое носит название хладноломкости. Объяснение хладноломкости предложено академиком А.Ф.Иоффе и развито академиком Н.Н.Давиденковым.

При понижении температуры предел текучести растет сравнительно быстро, а сопротивление отрыву практически не изменяется (растет очень медленно) и при

некоторой температуре Tкр , называемой критической температурой хрупкости

σт = Sот .

При T >Tкр с увеличением действующей на растягиваемый образец нагрузки

напряжения достигают вначале предела текучести и последующее разрушение будет пластическим (рис. 16.3). При T <Tкр ,_ напряжения вначале достигают

сопротивления отрыва и происходит хрупкое разрушение. Это явление называется хладноломкостью металлов.

К хладноломким металлам относятся металлы с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба ОЦК, например, конструкционные стали.

Металлы с решеткой гранецентрированного куба ГЦК, например, аустенитные стали, медь, не проявляют признаков хладноломкости., что объясняется высокими

решеткой ОЦК изображена на рис. 17.3, а, а для металлов с решеткой ГЦК на рис. 17.3, б.

σТ σТ

Рис. 17.3. Диаграмма хладноломкости Иоффе

При повышении предела текучести критическая температура хрупкости возрастает, что свидетельствует о склонности металла к хрупкому разрушению.

Повышение скорости деформации приводит к тому же эффекту, что и снижение температуры.

Критическая температура хрупкости как критерий общего запаса вязкости

Академик Н.Н.Давиденков предложил оценивать температурный запас вязкости по формуле η = (T −Tкр)T , где T — температура эксплуатации, Tкр — критическая

температура хрупко-вязкого перехода (рис. 17.3).

Если при использовании этой формулы учитывать количественную оценку смещения Tкр под влиянием конструктивных и технологических факторов, то η становится

качественным критерием общего запаса вязкости в элементах конструкции.

Рост скорости деформирования, увеличение размеров тела, концентрация напряжений повышают Tкр . С ростом размеров зерна хладноломких металлов резко

снижается сопротивление отрыву, что повышает Tкр и увеличивает опасность

хрупкого разрушения. Для различных случаев имеются эмпирические формулы для оценки Tкр .

Важной характеристикой является чувствительность материалов к надрезу, то есть снижение прочности надрезанных образцов по сравнению с гладкими. С повышением прочности материалов их чувствительность к надрезу увеличивается, а

Tкр повышается. Это объясняется ростом τт и τср , в то время как Sот почти не

меняется. Появляется опасность хрупкого разрушения. Эффект повышения прочности может стать отрицательным. Если с повышением прочности начинает

падать пластичность, то Tкр растет, а запас вязкости η уменьшается.

Следует иметь в виду, что параметр η применим лишь для хладноломких материалов и неприменим при действии коррозионной среды.

17.4. Напряженное состояние

Хрупкое разрушение вызывается нормальными напряжениями, пластическая деформация — касательными. Соотношение нормальных и касательных напряжений при нагружении тела зависит от вида напряженного состояния.

Влияние напряженного состояния на характер разрушения материала удобно оценивать с помощью диаграммы Я.Б. Фридмана. Эта диаграмма не позволяет рассчитать момент хрупко-вязкого перехода, но позволяет качественно оценить возможность такого перехода. Поэтому, не вдаваясь в детали, рассмотрим приближенное построение диаграммы и ее использование.

Характеристикой хрупкого разрушения считаем сопротивление отрыву Sот ,

Пластические деформации в металле появляются при достижении предела текучести τт . Все эти характеристики не зависят от вида напряженного состояния.

В системе координат σ −τ отложим на осях значения σ = Sот , τ =τт и τ =τср и

проведем через них прямые, параллельные осям. Это и есть диаграмма Фридмана для данного материала (рис. 17.4).

Введем коэффициент жесткости напряженного состояния α =τmax σmax .

Жестким будем считать напряженное состояние, затрудняющее возникновение пластической деформации и облегчающее хрупкое разрушение отрывом.. Чем меньше α , тем жестче напряженное состояние, тем больше опасность хрупкого разрушения.

τmax

На рис. 17.4 каждый луч, проведенный из начала координат, соответствует определенному значению коэффициента α , то есть определенному виду напряженного состояния.

При осевом растяжении α = 0,5 , при кручении α ≈1 (при коэффициенте Пуассона μ = 0, 25 ), при сжатии α ≈ 2 (при μ = 0, 25 ), при растяжении образцов с острым надрезом α 0,1 , при вдавливании α 20 .

Луч 1 на диаграмме пересекает линию сопротивления отрыву. Следовательно материал разрушается хрупко путем отрыва без предшествующей пластической деформации.

Луч 2 пересекает вначале линию текучести, а затем линию сопротивления отрыву. Следовательно произойдет хрупкое разрушение путем отрыва, но с предшествующей пластической деформацией (квазихрупкое разрушение).

Луч 3 пересекает линию сопротивления срезу, поэтому после пластической деформации произойдет разрушение путем среза.

При снижении температуры существенно повышаются τт и τср , а Sот растет очень

медленно. Пунктиром на рис. 16.4 показана диаграмма механического состояния того же материала при снижении температуры. В этом случае для напряженных состояний 1 и 2 — разрушение хрупкое, для состояния 3 — квазихрупкое.

Условия хрупкого и пластического разрушения:

17.5. Остаточные напряжения

В зависимости от объема, в котором уравновешиваются остаточные напряжения, они могут быть первого, второго или третьего рода.

Первого рода — уравновешиваемые в объеме всего тела; второго — уравновешиваемые в объеме порядка размеров зерен металла; третьего — уравновешиваемые в областях порядка размера межатомных расстояний. Далее рассматриваем только напряжения первого рода.

Так как напряжения уравновешиваются внутри тела, то в нем одновременно присутствуют и растягивающие и сжимающие напряжения.

Действие остаточных напряжений — результат их сложения с напряжениями от внешних сил. Если напряжения растяжения от внешних сил складываются с остаточными напряжениями растяжения — прочность падает, если с остаточными напряжениями сжатия — прочность растет.

Остаточные напряжения растяжения могут служить причиной образования трещин в сварных соединениях, отливках, закаленных деталях. Кроме того они могут привести к короблению конструкций при сварке, а после механической обработки — к изменению размеров детали.

Причиной остаточных напряжений является остаточная деформация. Пластическая

— при механической обработке и сварке, упругая — при слесарной сборке, горячих и прессовых посадках.

Остаточные напряжения не могут быть выше предела текучести.

При сложном напряженном состоянии предельные значения остаточных напряжений удовлетворяют IV гипотезе прочности

Механизм появления остаточных напряжений при пластической деформации рассмотрен на примере пластического кручения и пластического изгиба в главе 8.

Для повышения прочности и долговечности конструкции необходимо уменьшать растягивающие напряжения в опасных местах. Для этого желательно создать на поверхности детали сжимающие остаточные напряжения. Существует много способов поверхностного упрочнения деталей, приводящих к повышению поверхностной твердости и наведению остаточных напряжений сжатия. Это

•механическое упрочнение — обдувка дробью, обкатка роликами, чеканка;

•термическое упрочнение — поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ);

•термохимическое упрочнение — цементирование, азотирование, цианирование.

Воснове механического упрочнения лежит пластическая деформация сжатия поверхностного слоя материала.

При закалке ТВЧ превращение аустенита в мартенсит в поверхностном слое сопровождается увеличением объема и возникновением остаточных напряжений сжатия.

При термохимическом упрочнении внедрение атомов углерода или азота в поверхностные слои металла также приводит к увеличению объема. Ввиду малой толщины упрочненного слоя остаточные напряжения в нем бывают очень велики.

Поверхностное упрочнение обычно производят в местах концентрации напряжений деталей из малопластичных материалов или работающих при циклических нагрузках, так как в этом случае эффект упрочнения наибольший.

На рисунке 17.5 приведены эпюры нормальных напряжений в сечении круглого стержня с кольцевым надрезом при растяжении. Поверхностное упрочнение надреза

позволяет создать остаточные напряжения σост , практически компенсирующие пик упругих напряжений σупр .

Суммарные напряжения σсум оказались почти выровненными по сечению, что ведет к большому повышению усталостной прочности и долговечности детали.

Следует иметь в виду, что ряд видов поверхностной обработки приводит к появлению в поверхностном слое остаточных напряжений растяжения, что снижает прочность и может вызвать появление поверхностных трещин. Это некоторые процессы гальванопластики, например, хромирование, никелерование, воронение, обезуглероживание поверхностного слоя, быстрая сушка древесины, ведущая к растрескиванию дерева, потеря пластификатора из полимеров.

Рис. 17.5 Влияние остаточных напряжений на прочность стержня с надрезом

При токарной обработке детали в зависимости от заточки резца и режима резания возникают остаточные напряжения того или иного знака, а при шлифовании — растягивающие напряжения

Для снятия остаточных напряжений используют отжиг детали при температуре выше температуры рекристаллизации Для любых сталей отжиг при температуре 600ºС обеспечивает полное снятие остаточных напряжений.