3.3 Порог хладноломкости

Как уже отмечалось ранее, железо, сталь и металлы, и сплавы в основном с ОЦК решеткой могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т. д. порог хладно­ломкости может повыситься, это приведет к хрупкому разруше­нию.

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур. Затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания (так называемую сериальную кривую по Н.Н.Давиденкову) (рис. 18).

Для многих сталей на кривой зависимости KСU – t трудно определить порог хладноломкости.

П оскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при удар­ном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порог хладноломкости нередко определяют по количеству во­локна (В, %) матовой – волокнистой составляющей в изломе. Количество волокна в изломе определяется как отношение пло­щади волокнистого (вязкого) излома к первоначальному расчет­ному сечению образца. Далее строится сериальная кривая про­цент волокна – температура испытания (рис. 18). За порог хладно­ломкости принимается температура, при которой имеется 50 % волокна t₅₀ (рис. 18), что примерно соответствует КСТ/2. Для ответственных деталей за критическую температуру хруп­кости нередко принимают температуру, при которой в изломе имеется 90 % волокна (t₉₀), а ударная вязкость сохраняет высокое значение. Нередко определяют верхний t_в порог хладноломкости, который отвечает 90 % волокна, и нижний t_н, отвечающий 10 % волокна. Порог хладноломкости t_в, t_н, t₅₀, t₉₀) не является по­стоянной материала, а сильно зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов напряжений, размера об­разца и т. д. Чем выше прочность (σ_в, σ_0,02), тем выше порог хлад­ноломкости.

В случае определения надежности машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая ре­комендация не применять материал при температурах ниже по­рога хладноломкости. Нужно учитывать, что в понижением тем­пературы снижается и величина К_1с .

3.4. Основные направления повышения прочности металлов. Конструктивная прочность

В реальной конструкции материал должен обладать как вы­соким значением сопротивления пластическим деформациям σ_т, так и высоким значениям прочности S_k и особенно S_от. До сих пор в реальных конструкциях используется менее 0,1 от теоре­тической прочности металлов.

Из рассмотрения дислокационного механизма пластической деформации явствует, что плотность дислокаций на сопротивле­ние металла пластическим деформациям влияет немонотонно. Если бы в металле не было дислокации, то такой материал при нагружении, не деформируясь, обнаружил бы показатели проч­ности, равные теоретическим. В настоящее время созданы тон­кие (d меньше, чем 5 мкм) нитевидные монокристаллы (усы), которые практически не имеют дислокаций. Оказалось, что такие материалы имеют очень высокую прочность: для железа, например, 1350 к Г/мм²; для MgO 2500 кГ/мм², что близко к теоретической.

Увеличение плотности дислокаций в металле до значения ρ_k, рис. 19, приводит к понижению значения прочности. Даль­нейшее увеличение плотности дислокаций приводит к новому росту прочностных свойств. Поэтому из рис. 19 вытекает два направления повышения прочности металлов. Первый путь наи­более эффективный – создание бездислокационных материалов. На данной стадии развития техники этот метод только начинает применяться. Однако имеющиеся данные позволяют пред­сказать этому направлению большое будущее. Уже в настоящее время разработаны композиционные материалы, представляю­щие собой вязкие материалы, упрочненные нитевидными крис­таллами (усами).

Весьма широко используется второй путь: упрочнение метал­ла за счет искусственного повышения плотности дислокации (например, пластической деформацией) или за счет затруднения перемещения дислокации при нагружении металла. Это дости­гается закреплением дислокаций инородными атомами в спла­вах, когда такие атомы скопляются преимущественно в зонах дислокаций, образуя так называемые атмосферы Котрелла, Сузуки. Препятствуют перемещению дислокации также мелко­дисперсные включения карбидов, нитридов, интерметаллических соединений. Эффективного упрочнения добиваются термообра­боткой, в результате чего возникают большие внутренние напря­жения, измельчается блочная структура металлических спла­вов, увеличивается количество дислокации. Все шире исполь­зуется комбинированные (пластическая деформация совместно с термической обработкой) способы обработки металлов и спла­вов, повышающие сопротивление д еформированию и разруше­нию.

Однако следует помнить, что повышение плотности дислока­ции или создание условий, препятствующих их перемещению, хотя и повышает значения σ_т и S_от, но в разной степени. Обычно с ростом плотности дислокации и других искажений в кристал­лической решетке сопротивление срезу S_k, и σ_т возрастает быст­рее, чем сопротивление отрыву S_от рис. 20. При S_от < σ_т окажет­ся исчерпанной пластичность металла, что весьма опасно при эксплуатации металлоконструкций, так как при нагружении, ввиду высоких значений σ_т раньше будет достигнуто значение S_от, и конструкция разрушится хрупко. Поэтому важнейшей задачей инженера является создание материалов, обладающих в условиях эксплуатации оптимальным сочетанием прочности, пластичности, вязкости.

Единого правила для выбора необходимого критерия, харак­теризующего конструктивную прочность материала для различ­ных изделий, к сожалению, нет. Приводятся лишь общие реко­мендации по выбору комплекса свойств для конкретного на­значения: а) напряженное состояние образцов и изделий, для которых предназначен данный материал, должно быть близ­ким; б) условия испытания (температура, среда) образцов и условия эксплуатации изделия должны быть одинаковыми; в) характер разрушении, вид излома в образцах и изделиях должны быть аналогичными.

Как отмечалось выше, в ряде случаев не удается выявить материалы для конкретных условий работы, пользуясь данными, которые получены при лабораторных испытаниях стандартных образцов. Поэтому прибегают к натурным и стендовым испыта­ниям, что, конечно дорого, но является необходимым.