книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов

ре 850° С, сталь У9 — при 780° С). Затем проводили отпуск при температурах 100, 200, 300, 400° С и финишные операции: чисто­ вая шлифовка до диаметра D = 7 мм и нарезка кольцевого кон­ центратора с радиусом в вершине р = 0,1 мм до диаметра DK = = 6 мм. Образцы с трещинами подвергали статическому растя­ жению при комнатной температуре на разрывной машине УМ-А со скоростью перемещения активного захвата 1 мм/мин. Обрабо­ танные результаты экспериментов представлены на рис. 55, из которого видно, что термическая обработка, в частности темпера­ тура отпуска, существенно влияет на величину трещиностойкости исследуемых сталей, в то время как величина предела текучести менее чувствительна к такому влиянию. Необходимо отметить, что выбранные размеры образцов из сталей 45 и У9 не обеспечи­ вали получения полноценных результатов по К\с во всем иссле­ дуемом диапазоне температур отпуска. Полноценные результаты, полученные для образцов данных размеров D K и D , изображены на рис. 55 сплошной линией, а экспериментальные результаты, когда размеры образцов были недостаточными, т. е. условные зна­ чения К 1с, изображены штриховой линией. Видно, что существен­ ное влияние на трещиностойкость оказывает содержание углеро­ да в стали. Во всем исследуемом диапазоне температуры отпуска сталь 45 обладает повышенной трещиностойкостыо по сравнению со сталью У9.

Исследовано [51] также влияние режима нагрева под закалку хромистых сталей 40Х и 7X2 промышленных плавок на трещино­ стойкость в зависимости от температуры отпуска. Для этого ци­ линдрические образцы указанных сталей подвергали следующей термической обработке: 1) печной нагрев под закалку со скоростью нагрева ин = 1 град/сек до температуры 860° С при выдержке

Рис. 55. Зависимость К1с и схт от температуры отпуска стали 45 (а) и стали У9 (б).

ры 860° С, выдержка 4 мин, последующая закалке в масле. Нагрев осуществляли электроконтактным путем на специальной уста­ новке [119]. Закаленные образцы подвергали отпуску в течение 2 ч при температурах 100, 200, 300, 400 и 500° С, а затем после шлифовки, нарезки концентраторов и образования кольцевых тре­ щин испытывали на статическое растяжение.

Обработанные экспериментальные результаты по трещиностойкости сталей 40Х и 7X2 после термической обработки по первому режиму представлены на рис. 56. На этом же рисунке отложены

нию со сталями, обработанными по первому режиму. Эффект термообработки особенно проявляется при низких температурах отпуска.

С целью установления причины увеличения трещиностойкости после ускоренного нагрева под закалку проводили металло­ графический анализ исследуемых сталей [51]. При этом выявляли структуру и определяли величину аустенитного зерна указанных сталей после термической обработки. В результате установлены изменения в структуре мартенсита. После закалки при ускоренном нагреве обеспечивается мелкозернистая аустенитная структура с увеличенной протяженностью границ, образуются одинаково ориентированные дисперсные пластины мартенсита. Кроме того, ответственной за упрочнение после закалки при ускоренном нагре­ ве является, по-видимому, «оптимальная микрогетерогенность» аустенита; она приводит к смещению температур мартенситного превращения в объемах с различной концентрацией углерода и ле­ гирующих элементов, в результате чего создаются предпосылки для образования мартенсита сложной морфологии, способствую­ щей увеличению сопротивления материала распространению тре­ щины.

ческие факторы, в частности способ выплавки и степень раскисле­ ния. Это влияние сохраняется и после обработки давлением и даже после термической обработки. Проиллюстрируем это на примере стали 28ХЗСНМВФА, определяя ее трещиностойкость как наи­ более чувствительную характеристику, в зависимости от способа выплавки и температуры испытания. При этом применяли следую­ щие схемы для определения этой характеристики: трехточечный изгиб [9], растяжение цилиндрического образца с кольцевой тре­ щиной и внецентренное растяжение диска с боковой трещиной [99]. Образцы из указанной стали изготовляли из листа размером

ного раскисления, можно существенно повысить трещино-

давно. Водород, проникающий в металл при его изготовлении, термической обработке, сварке, а также при травлении, нанесении электролитических покрытий и, наконец, в процессе эксплуата­ ции материала в некоторых активных средах, значительно ухуд­ шает физико-механические свойства стали и, следовательно, по­ нижает работоспособность конструкций. Склонность к хрупкому разрушению под действием водорода у мягких сталей довольно ярко проявляется в снижении их пластичности (уменьшении зна­ чений ф и 6), а также в уменьшении величины характеристик тех­ нологической пробы на перегиб и скручивание. Оценить склон­ ность к хрупкому разрушению под действием водорода у высоко­ прочных и малопластичных материалов указанными методами довольно трудно. В таких случаях данные о трещиностойкости материала являются важным показателем степени влияния на­ водороживания на хрупкую прочность стали. Приведем резуль­ таты таких исследований на стали У8 в закаленном и низкоотпущенном состоянии. Эти исследования проводили на пластинах раз­ мером 360 X 180 мм с центральной изолированной трещиной [13, 49], подвергнутой растяжению сосредоточенной нагрузкой (см. приложение 3, рис. 117, а). После нескольких замеров пара­ метров, характеризующих распространение трещины в данном материале в среде воздуха лабораторного помещения, образец снимали с разрывной машины и помещали в ванну для насыщения водородом. Наводороживание проводили в 20%-ном растворе сер­ ной кислоты при плотности тока 8 а!дм2 в течение 2 ч. Немедленно после наводороживания определяли трещиностойкость наводо-

емой стали от температуры отпуска в воздухе лабораторного поме­ щения (1) и после наводороживания (2). На этом же рисунке тре­ угольниками нанесены данные по трещиностойкости этой стали, по­ лученные на цилиндрических образцах с кольцевой трещиной. Как видно, исследуемая сталь в высокопрочном состоянии очень чувст­ вительна к изменению трещиностойкости под действием водорода.

Цилиндрические образцы с усталостными кольцевыми трещина­ ми применены авторами работы [53] для изучения водородной хруп­ кости титановых сплавов. На диаграмме рис. 65 приведены данные по трещиностойкости некоторых титановых сплавов, содержащих 0,003 и 0,05% водорода. Отжиг проводили при температуре 800° С

активных сред на трещиностойкость стали в высокопрочном сос­ тоянии. С этой целью рассмотрим изменение трещиностойкости этой стали при воздействии дистиллированной воды, этилового спирта, вазелинового масла, воздуха лабораторного помещения. Схема на­ гружения образцов и расчетная формула приведены в работе [82] (см. таже приложение 3, рис. 119). В каждом конкретном случае, исходя из геометрических параметров образца (Z, а, Ь), по номо­ грамме, приведенной в приложении 3 на рис. 119, можно найти значение функции / (а, (5) и, зафиксировав для данной длины тре­

180 Ж 100 Ж 3 мм, Пластины подвергали закалке при темпера­ туре 820° С в масле, а затем отпуску при температуре 180° С. Образцы имели твердость (57—60) HRC, Термообработанные плас­ тины шлифовали сдвух сторон до толщины 1,6—2,75 мм. Исходную трещину у дна концентратора создавали локальным охрупчиванием материала путем наводороживания 20%-ным водным раствором серной кислоты, а затем нагружали на разрывной машине до появления трещины. Испытания проводили на разрывной машине, оборудованной тензорезисторным силоизмерителем и оптической приставкой. Для измерения длины распространяющейся трещины на поверхность образца в окрестности трещины прикрепляли пле­ ночную (25 мм) шкалу с ценой деления 0,05 мм. Описанная мето­ дика позволяла надежно фиксировать момент старта трещины Z* при нагрузке Р% и измерять общую длину трещины. Указанная схема нагружения позволяла проводить 15—20 измерений на участке прироста длины трещины А1 « 15 мм.

Таким образом, на одном образце можно было определить зна­ чения трещиностойкости как в воздухе, так и в исследуемой среде. Питание кончика трещины средой осуществляли с помощью ван­ ночки, прикрепленной на образце у вершины трещины.

Установленные на основе изложенной методики значений тре­ щиностойкости K ic в исследуемых средах для термически обрабо­ танной стали У8 приведены в табл. 12. Нами проведены также экс­ перименты по оценке влияния указанных сред на трещиностойкость

ние которой исследуется, и дальше нагружать ее в среде, измеряя со­ ответственно для каждого значения длины трещины I величину пре­ дельной нагрузки Р*. Отметим, что данная схема нагружения прос­ та в реализации и позволяет осуществлять ряд (20—30) измерений параметров Р* и I* на одном образце. Это имеет важное значение при оценке влияния нескольких сред на изменение трещиностойкости материала на одном и том же образце, поскольку исключает влияние посторонних факторов. Опыты проводили на образцах размером 360 X 180 X 2,5 мм. Некоторые данные этих исследова­ ний представлены на рис. 66 и в табл. 12.

Необходимо отметить, что данные по трещиностойкости иссле­

закономерность: с увеличением диэлектрической постоянной среды

еевлияние на трещиностойкость материала увеличивается (рис. 67). Аналогичные эксперименты по выяснению влияния воды, мети­

лового спирта и вазелинового масла на трещиностойкость сили­ катного стекла проведены авторами работ [87]. При этом была использована схема нагружения, приведенная в приложении 3 на рис. 117, а. В результате установлено, что трещиностой­ кость у силикатного стекла уменьшается, по сравнению с ее зна­ чениями в сухом воздухе, приблизительно на 25 и 15% при воздей­ ствии соответственно воды и метилового спирта; практически не изменяется трещиностойкость стекла при воздействии вазели­ нового масла. Для силикатного стекла наблюдается аналогичное влияние среды в зависимости от ее диэлектрической постоянной.