книги из ГПНТБ / Дроздовский Б.А. Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей

196 Влияние трещины на сопротивление разрушению и вязкость

разца. Различная глубина трещины получалась путем измене­ ния числа ударов. Сошлифовка образца для получения по­ стоянного сечения нетто производилась со стороны, противопо­ ложной надрезу. При этих опытах критическая глубина трещи­ ны была примерно равна 1,5 мм (рис. 116, в).

Испытания, результаты которых приведены на рис. 116, б и в, различаются между собой, во-первых, по числу ударов при получении трещин малой глубины и, во-вторых, по суммарной глубине надреза и трещины.

Для установления основной причины, .вызвавшей изменение критической глубины трещины, были испытаны образцы при­ мерно одинаковые по числу ударов и глубине трещины, но с различной глубиной надреза.

Как видно из табл. 30, образцы с одинаковым числом уда­ ров и глубиной трещины имеют различное разрушающее на­ пряжение, если глубина существенно меняется.

Снижение разрушающего напряжения от мелких трещин может быть примерно вдвое большим, если трещина располо­ жена не на гладкой поверхности образца, а на дне достаточно глубокого надреза, что указывает на значительное влияние об­ щего поля напряжений на процесс развития трещины.

Т а б л и ц а 30

Сопоставление среднего разрушающего напряжения смакс образное, имеющих трещины примерно одинаковой глубины и надрезы разной глубины

3. ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Для этих испытаний были изготовлены продольные образцы стали ЗОХГСА, плавки XX, подвергнутые после закалки с 890° в масле отпуску при 220 и 510°. Параллельно с образцами В, надрезанными трещиной, статическим изгибом испытывались образцы А того же сечения, но с надрезом радиусом 1 мм. Кро­

ме того, проводилось испытание растяжением на образцах Га­

Характеристики пластичности и вязкости различно зависят от понижения температуры испытания. Относительное удлине­ ние (б) оказывается совершенно нечувствительным к пониже­ нию температуры для обеих температур отпуска. Относитель­ ное сужение оказывается более чувствительным к понижению температуры ниже —70° (в интервале от —70 до —196° вели­ чина ф уменьшается на 25—26%)- Ударная вязкость, вклю­ чающая частично и сопротивление развитию трещины, весьма чувствительна к снижению температуры; при снижении темпе­ ратуры от +20 до —196° ударная вязкость снижается в 4—5 раз. Полная удельная работа аП, затраченная ,на разрушение образца с трещиной, является наиболее локальной характерис­ тикой и наиболее чувствительно реагирует на снижение темпе­ ратуры испытания. Она уменьшается с понижением температу­ ры испытания от +20 до —196° в 10 раз для стали, отпущенной при 200°, и в 43 раза для стали, отпущенной при 500° (рис. 118).

Локализация деформации в крайне малом объеме, осуще­ ствленная применением двух факторов: крайне острого надре­ за (трещины) и понижения температуры до —196°, приводит к весьма большой концентрации напряжений в этом объеме, бла­ годаря чему среднее разрушающее напряжение падает в 3—4 раза при понижении температуры от +20 до —196° (рис. 119).

Из рисунка видно, что степень снижения разрушающего на­ пряжения Омане сильно зависит от остроты надреза в испы­ туемом образце, причем эта зависимость меняется при перехо­ де от одного материала к другому и при изменении темпера­ туры.

Например, разрушающее напряжение при +20° образцов из стали, отпущенной при 510°, практически одинаково как для об­ разцов с трещиной, так и с надрезом радиусом 1 мм. Однако разрушающее напряжение для образцов из этой стали с над­ резом по мере понижения температуры растет, а для образцов с трещиной в основном снижается.

Если обозначить через Ко отношение: ^ макс При НаЛИЧ-ИИ надреза R = 1 мм к Омакс-Лри наличии трещины, то для образ­ цов из стали 30ХГСА,-отпущенных при 200°, будет

Рис. 117. Влияние температуры испытания на свойства при осевом растяжении гладких образцов диаметром 5 мм. Сталь ЗОХГСА плавки XX. Закалка с 860°

вмасле;

а—отпуск при 510°; б — отпуск при 200°

Ка+2й° = 2,19; /Со-19б° =6,6,

а для образцов, отпущенных при 510°,

20° — 1,05; /Са—196е —5,25.

Таким образом, при низких температурах испытания на­ личие трещин (даже в вязком

при комнатной температуре ме-

<3

200 Влияние трещины на сопротивление разрушению и вязкость

Величины этих отношений приведены в табл. 31.

Т а б л и ц а 31

Сопоставление чувствительности к трещине Ка и хладноломкости Ra стали ЗОХГСА, плавка XX при различных температурах отпуска

Данные табл. 31 еще раз подтверждают, что понятие чувст­ вительности к надрезу или трещине, взятое вне связи с темпера­ турой испытания, характеризуют материалы крайне неполно.

Например, при комнатной температуре сталь, отпущенная fipn 200°, имеет в 8 раз большую чувствительность к трещине,, чем отпущенная при 500°, тогда как при —196° чувствительность к трещине обоих материалов столь сильно возрастает, что коэф­ фициенты Ка различаются при этой температуре только на 19%. По хладноломкости при 'надрезе R = 1 мм 'материалы раз­ личаются между собой на 32%, а по хладноломкости при нали­ чии трещины — в 4 раза.

Н. Н. Давиденков [55] указал на то, что при понижении тем­ пературы испытания статическим изгибом надрезанных образ­ цов уменьшение работы деформации происходит в первую оче­ редь путем уменьшения диаграммы после максимума усилия. Если эту часть работы отождествить с работой разрушения об­ разца с трещиной, то резкое возрастание хладноломкости при пе­ реходе к трещине (особенно для материала, имеющего при ком­ натной температуре плавную кривую разрушения, т. е. при от­ пуске 510°) согласуется с указанным наблюдением Н. Н. Давиденкова.

Из таблицы 31 видно, что из двух опробованных материалов более чувствительной к трещине во всем интервале температур является сталь, отпущенная при 200°, хотя различие в чувстви­ тельности к трещине сильно уменьшается при понижении тем­ пературы.

По хладноломкости подобного вывода сделать нельзя. При

сталь, отпущенная при 510°, а при надрезе радиусом 1 мм раз­ ница между этими двумя режимами отпуска небольшая, но все же стали меняются местами,— несколько более хладноломкой оказывается сталь, отпущенная при 200°.

Оценка материала по степени уменьшения его вязкости при понижении температуры испытания получила довольно широкое распространение. Она совершенно необходима, когда требуется оценить рост склонности к хрупкому разрушению при понижен­ ных температурах, т. е. когда деталь работает в условиях низ­ ких температур. Однако в ряде случаев необходимо оценить чувствительность материала к хрупкому разрушению от дейст­ вия неравномерного поля напряжений при условии, что мате­ риал не охрупчен во всем объеме действием низкой темпера­ туры.

Как отмечалось выше, в ряде случаев может быть принципи­ альное различие между чувствительностью к надрезу и чувст­ вительностью (надрезанных образцов) к понижению темпера­ туры испытания [110]. Этот вывод подтверждается и в данной работе.

Резкая локализация деформации при наличии трещины поз­ волила подтвердить указанный вывод не только по величине работы деформации, но и по величине разрушающего напря­ жения.

Таким образом, чувствительность материалов к изменению остроты надреза при данной температуре испытания и чувстви­ тельность образцов с надрезом данной остроты к изменению температуры ниже или выше данной являются независимыми друг от друга свойствами. Оценка материала по так называе­ мой «переходной температуре хрупкости» не всегда может слу­ жить универсальным критерием хрупкости материала, вызван­ ной как изменением температуры, так и остроты надреза, а часто характеризует то свойство, которое .получается при испытании, т. е. хладноломкость при данном надрезе.

Резюмируя кратко результаты испытаний образцов с трещи нами, изложенные выше, можно сказать следующее.

Присутствие трещин даже глубиной 0,2 мм в растянутой зоне при изгибе может резко изменить условное разрушающее напряжение одних материалов, тогда как сопротивление разру­ шению других материалов при наличии трещины даже глуби­ ной 2 мм может практически не измениться.

Эта различная склонность к хрупкому разрушению значи­ тельно слабее улавливается стандартными механическими свой­ ствами, в том числе и ударной вязкостью.

Особенно резко (в 5—6 раз) снижается разрушающее напря­ жение от наличия трещин при низких температурах испытания.

202 Влияние трещины на сопротивление разрушению и вязкость

Так как изменение остроты надреза вообще меняет хладнолом­ кость материала, то трещина, как практически предельно ост­ рый и узкий надрез, меняет ее в весьма сильной степени.

Близкие результаты, полученные при испытании чувстви­ тельного к трещинам материала с трещинами различного про­ исхождения, показывают, что основной причиной существенного изменения свойств от наличия трещин является специфическая форма последней как крайне острого и узкого надреза, а не из­ менения состояния материала в вершине трещины в процессе ее получения, хотя последний фактор также может оказывать из­ вестное влияние.

Все это показывает, что испытание конструкционных мате­ риалов на их чувствительность к трещинам в ряде случаев ха­ рактеризует их иначе, чем свойства при стандартных механи­ ческих испытаниях гладких и надрезанных образцов.

4 ВЫБОР ФОРМЫ ОБРАЗЦА С ТРЕЩИНОЙ ДЛЯ УДАРНОГО' ИСПЫТАНИЯ

Из сравнения результатов испытаний образцов групп № 9 и 12, 10 и 13, 11 и 14 (табл. 32) видно, что понижение ударной вязкости стали ЗОХГСНА при отпуске 500°, по сравнению с от­ пуском 200°, не выявляется статическим изгибом образцов В (см. рис. 91) с трещиной ни по величине разрушающего напря- ЖеНИЯ (7 макс» ни по величине полной работы деформации аП-

Для стали 12Х5МА, как было показано в гл. Ill, интервал хрупкого отпуска отчетливо выявляется по работе излома при статическом испытании образцов 3 x 6 мм.

Различие между отпуском при 200 и при 540° по работе из­ лома заметно и при испытании образцов А (см. группы № 16 и 17 табл. 32). Однако статическое испытание образцов В с тре­ щиной не показывает снижения разрушающего 'напряжения при переходе от отпуска при 200 к отпуску при 540°, хотя работа де­ формации уменьшается примерно вдвое. Наконец, хрупкость стали ЗОХГСА при м’едленном охлаждении после отпуска при 600°, отчетливо выявляемая ударным испытанием образцов Менаже, значительно слабее выявляется работой деформации при статическом изгибе образцов В с трещинами и совершенно не выявляется величиной разрушающего напряжения 0 макс этих образцов. В отпускно-хрупком состоянии это напряжение ока­ зывается даже несколько большим, чем при .вязком.

Для выяснения причины малой чувствительности статическо­ го изгиба образцов с трещиной были дополнительно испытаны статическим и ударным изгибом образцы типа В (узкие) (см. рис. 91), типа У (см. рис. 120) с тем же сечением, что у образцов Менаже, а также образцы типа Ф (рис. 121) с сечением нетто