4.6. Испытания на хладноломкость и критическую температуру хрупкости

Хладноломкостью называют способность некоторых металлов охрупчиваться при низких температурах. Склонностью к хладноломкости обладают металлы с решеткой о.ц.к., например Fe_, к нехладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой г.ц.к., например Fe_, Al, Ni и др., хотя деление это условно, так как, например, аустенитные стали, имеющие решетку г.ц.к., тоже подвержены охрупчиванию, но только в меньшей сте­пени и при более низких температурах, чем стали с решеткой о.ц.к.

Испытания на ударную вязкость при низких температурах позволяют получить хрупкое разрушение металла в результате одновременного действия надреза, повышенной скорости деформирования и температуры. На рис.4.9, а представлено температурное изменение ударной вязкости хладноломкой стали. Видно, что снижение ударной вязкости происходит в некотором интервале температур. Внутри этого интервала разрушение имеет смешанный характер.

Рис.4.9. Схема низкотемпературного изменения ударной вязкости (а)

и волокни­стости в изломе ударного образца (б)

Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости Т_кр. Количественно критическую температуру хрупкости можно определить по температуре, соответствующей началу порога хладноломкости (рис.4.9, а, точка 1), концу порога хладноломкости (точка 3) и по заданному значению ударной вязкости КС₂ (точка 2).

Критическую температуру хрупкости можно определить и по характеру строения излома. Вязкий излом имеет волокнистое, а хрупкий – кристаллическое строение. При переходе из вязкого состояния в хрупкое доля волокнистого строения в изломе уменьшается, а кристаллического увеличивается. За критическую темпе­ратуру хрупкости принимают температуру, соответствующую равным долям волокнистого и кристаллического изломов, т.е. температуру полухрупкости Т₅₀.

4.7. Испытания на усталость.

Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Металл, подверженный такому нагружению, может разрушаться при более низких напряжениях, чем при однократном плавном нагружении.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале при дейст­вии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разруше­нию, называют усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.

На рис.4.10 приведена типичная схема испытаний на усталость. Согласно схеме, циклическое нагружение осуществляется подвешенным неподвижным грузом при вращении консольно закрепленного образца (рис.4.10, а).

Рис.4.10. Пример испытаний на усталость: а – схема нагружения образца (1 – вращающийся шпиндель; 2 – образец; 3 – нагружаю­щий подшипник); б – циклическое изменение напряжения в образце

Цикл напряжений – это сово­купность переменных значений напряжений за один период Т их изменения. За максимальное _max и минимальное _min значения напряжений цикла принимают соответственно наибольшее и наименьшее по алгеб­раической величине значения. Цикл характеризуется коэффициен­том асимметрии R_ = _min /_max. Если |_min| = |_max|, то R = -1 и цикл в этом случае называют симметричным (рис.4.10, б). При |_min| ≠ |_max| цикл является асимметричным.

Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости _R, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносли­вости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном цикле обозначается _-1.

Методика проведения испытаний материалов на усталость регламенти­рована ГОСТ 25.502-79. Для определения предела выносливости испыты­вают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений – до разрушения или до базового числа циклов. По ре­зультатам испытаний отдельных образцов строят диаграммы усталости в координатах максимальное напряжение – число циклов (рис.4.11,а). Ино­гда диаграммы усталости строят в полулогарифмических или логарифмиче­ских координатах (рис.4.11, б).

Рис.4.11. Диаграмма усталости в различных координатах для материалов, имеющих (1) и не имеющих (2) физического предела выносливости

Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно на сталях после 10⁷ циклов нагружения, у цветных сплавов – после 10⁸ циклов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению _max, является физическим пределом выносливости. Но могут быть случаи, когда и после указанного числа циклов кривая усталости не переходит в горизонталь, а продолжает снижаться. Тогда значения N = 10⁷ для сталей и N = 10⁸ для цветных сплавов принимают за базу испытаний и при указан­ных числах циклов определяют ограниченный предел выносливости.

Изложенная выше методика испытания материалов относится к испыта­ниям на многоцикловую усталость, когда используются большая база испы­таний и высокая частота нагружения (до 300 Гц). Одна­ко в технике имеют место испытания и на малоцикловую усталость, отра­жающие условия эксплуатации конструкций, подвергающихся воздействию сравнительно редких, но значительных по величине циклических нагрузок. Испытания на малоцикловую усталость проводятся при сравнительно малой частоте нагружения (3-5 Гц) на базе, не превышающей 10⁴ циклов.

Разрушение материалов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. Оно характеризуется отсутствием в изломе внешних признаков пластической деформации, т.е. в целом усталостный излом имеет характер хрупкого разрушения. Однако в микрообъемах и тонких слоях сечения нагруженного образца имеет место пластическая деформация, приводящая к зарождению трещин, которые, постепенно развиваясь и распространяясь, доводят материал до окончательного разрушения. При усталостном нагружении начало пластической деформации может иметь место при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения растет плотность дислокаций, прежде всего в поверхностных слоях. Тонкие линии скольжения на поверхности превращаются в полосы, профиль которых состоит из выступов и впадин. Зарождение усталостных трещин начинается в поверхностных впадинах и происходит уже на начальной стадии испытания. В образце может возникнуть множество микротрещин. Однако развиваются только те, которые имеют наиболее острую вершину и наиболее бла­гоприятно расположены по отношению к действующим напряжениям. Самая длинная, острая и глубокая трещина, распространяясь по сечению образца, доводит его до окончательного разрушения. Для усталостного излома образ­ца характерно наличие зоны прогрессивно растущей трещины и зоны окончательного излома (рис.4.12).

Рис.4.12.Схема зарождения и развития трещины при перемен­ном изгибе круглого образца:

1 – зарождение трещины;

2 – продвижение полос в изломе;

3 – зона окончательного излома

В зоне про­грессивно растущей трещины можно на­блюдать полосы в виде изогнутых линий. Полосы возникают за счет рыв­ков и задержек движения трещины вследст­вие упрочнения металла у ее основания и расширения ее фронта.

На процесс разрушения при цикличе­ских нагрузках существенное влияние ока­зывают концентраторы напряжений. Для оценки влияния концентратора напряжений на усталость испытывают глад­кие и надрезанные образцы при симметричном цикле напряжений. Надрез на образце выполняется в виде острой круговой выточки. Отношение предела выносливости, определенного на гладких образцах _-1, к пределу выносливости на надрезанных образцах _-1н, называют эффективным коэффициентом концентрации напряжений К_

Вопросы для самопроверки

1. Какие свойства определяются при испытаниях на растяжение? Что они собой представляют и в каких единицах измеряются?

2. Что такое твердость? Какими методами она измеряется?

3. Как проводится испытание на трещиностойкость? Что собой представляет коэффициент К_1с?

4. Для чего используются динамические испытания?

5. Что такое ударная вязкость, как она определяется и в каких единицах измеряется?

6. Чем отличаются KCU и KCV? Какое из этих значений больше для одного и того же материала?

7. Какими методами определяется критическая температура хрупкости? Как на практике используется эта характеристика?

8. Что такое усталость материала? Чем отличается малоцикловая усталость от многоцикловой?

9. Что собой представляет предел выносливости и как он определяется? Что означают _R и _-1?

10. Каковы особенности усталостного разрушения?

11. Как меняется предел выносливости при переходе от гладких образцов к образцам с надрезом?

*⁾ Некоторые из механических характеристик определяют и неразрушающими методами. Обзор современных методов неразрушающего контроля, подготовленный Микита Г.И., будет приведен в приложении к данному пособию.

Под индентором понимается твердый наконечник, внедряемый в поверх­ность испытуемого материала.

⁾ Под плоской деформацией понимают деформацию, которая развивается в одной плоскости и запрещена по толщине образца.

)

68