2421
.pdf[2, 15]. Оценка |
показывает, что |
для |
стали с К\с — |
= 100 кгс/мм3/2в структуре неопасными |
будут трещины |
||
размером почти в 10 диаметров зерна, |
если острота их |
||
вершин будет |
не * больше, чем у |
трещин, наведенных |
усталостным способом. Таким образом, физически обос нованное условие прочности (2.41—2.42) содержит одно временно и определенную безопасность в отношении ми кроскопических стабильных трещин в металле.
Итак, усовершенствование методики расчета конст рукции, вытекающее из физической теории, сводится к надлежащему совместному учету напряженного состоя ния и размера зерна .металла, представляющего собой фундаментальную структурную характеристику конст рукционного материала, важность которой давно под тверждена практикой [72].
В заключение необходимо отметить, что приведенная рекомендация (2.41—2.42) по-существу совпадает с ра нее предложенным Г. В. Ужиком [73] феноменологиче ским условием прочности, основанном на соотношениях
Тщах Тт,
<3 |< Roy
где Rj — введенная автором [73] характеристика сопро тивления отрыву от нормальных напряжений, которая в свое время не получила должного признания из-за не ясности ее физического содержания. Но сейчас становит ся очевидным, что по своей роли в процессе разрушения R3 соответствует а,ф и, таким образом, предложенный здесь способ расчета прочности по соотношениям (2.41— 2.42) представляет собой физически интерпретированный подход Г. В. Ужика.
2.7. Специфическая роль микротекучести в хрупком разрушении
Несмотря на близость физической сущности явлений микро- и макротекучести, отличающихся толь ко в количественном отношении друг от друга, тем не менее на реализацию условий хрупкого разрушения в металлах они оказывают далеко не одинаковое влияние.
Прежде всего, критерий хрупкого разрушения на ста дии микротекучести (а можно даже сказать — на преде ле упругости оу) численно почти вдвое больше, чем для
101
макротекучести. Подставив в (2.33) тэм для микротеку чести из (2.3) имеем
°кр (у) = |
|
/ |
= |
КР(У) d - 1/2' |
(2.43) |
где |
|
хэм “ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ко (у) = — |
1f |
. |
~ 32 кгс/мм3^ |
|
|
PVJ |
атс |
\ |
(1 — v) |
|
|
( а 0,25; f = 1.8* 10~4кгс/мм; Е =2* 104 кгс/мм2; v=0,25).
Прямая окр (у) идет выше линии акр (рис. 2.29), это оз начает, что размеры субмикротрещин, зарождающихся на стадии упруго-пластической деформации, значительно меньше, чем на этапе макротекучести, в силу чего им соответствуют более высокие гриффитсовские напряжения. Но и критерий хрупкого (лучше сказать, «сверххрупкого») разрушения в этом случае надо получать из сопоставления окр (у) не с началом общей текучести ох, а с пределом упругости ау
оу |
> КР(у) d~1/2. |
(2.43') |
Это значит, что на |
рис. 2.29 в области |
левее d(p\ |
разрушение будет контролироваться оу, где ay >32d~1'2; между ок р 1 и йлр2 зародышевые трещины возникают рань ше, чем могут привести к разрушению, так как оу < окр (у), поэтому значения напряжений разрушения будут заданы прямой окр (у) = 32d~l/2 до пересечения с прямой текучести (участок А Б) и далее условия разрушения будут контро лироваться величиной от вплоть до размера зерна dKpз (участок Б В).
Таким образом, у хрупких материалов с достаточно крупным зерном напряжение хрупкого разрушения мо жет резко понизиться от уровня ат до уровня ау, созда вая эффект внезапного разрушения при напряжениях существенно ниже предела текучести. Такой вид разру шения материалов часто является непредвиденным и по тому воспринимается как результат каких-то конструк тивных просчетов. Степень внезапного понижения разру шающего напряжения при снижении температуры соот ветствует разности От — ау и она тем выше, чем ниже предел упругости материала. Поскольку внутренние ма кро- и микронапряжения, неизбежно возникающие в результате применения упрочняющих обработок (закал ка, наклеп и т. п.), понижают предел упругости, то высо-
102
Рис. 2.29. Возможность пере хода от хрупкого (на пределе текучести от) к «сверххрупкому»
(вблизи предела упругости ау)
разрушению железа в области больших размеров зерен (/) или в условиях жесткого нап ряженного состояния (2).
Рис. 2.30. Влияние температу ры на механические характе ристики малоуглеродистой ста ли при испытаниях на изгцб (по [63]):
1—кривая текучести; 2—кривая раз рушения, 3 — область переохрупчивания; 4 — стрела прогиба при раз рушении.
копрочные материалы должны обнаруживать повышен ную склонность к внезапному падению ар при охлажде нии ниже определенных температур. Но даже для малопрочного железа этот эффект может проявиться очень сильно, если внутренние напряжения сочетаются с разнозернистостью структуры. Не исключено, что имен но такие эффекты «сверхохрупчивания» железа и сталей при низких температурах испытания отмечались в рабо тах [35, 61, 63] (рис. 2.30).
На рис. 2.29 видно, что эффект внезапного «сверх охрупчивания» сильнее может проявляться у мелкозер нистых, т. е. высокопрочных материалов. Тем самым усугубляется его опасность. Но еще сильнее способству ет его проявлению переход к жесткому напряженному состоянию (группа линий 2 на рис. 2.29), что, естествен но, связано с резким повышением общего уровня нор мальных напряжений при сохранении тех же условий зарождения трещин, контролируемых касательными на пряжениями. Следовательно, выбор материала для кон струкций, работающих в условиях жестких напряженных состояний, должен учитывать опасную возможность ран него зарождения субмикротрещин на стадии микротеку
103
чести, поэтому нецелесообразно рекомендовать для этих целей стали с низким пределом упругости. Крайне важ но обеспечить однородность размера зерен, а также сня тие внутренних микро- и макронапряжений применением соответствующей термической или механотермической обработки [74].
Из сказанного следует, что процессы микротекучести играют весьма специфическую роль в разрушении, яв ляясь прямой причиной внезапного понижения прочно сти металлической конструкции в особых условиях экс плуатации — низкие температуры, динамические нагруз ки, жесткое напряженное состояние.
Располагая критериями (2.34) и (2.43), можно зара нее предсказать возможность перехода разрушения от акр к акр(у) в известных условиях эксплуатации, осно вываясь на данных лабораторного анализа структуры (d), механических свойств — ат и ау, а также внутрен них микро- и макронапряжений.
Таковы важнейшие физические представления, кото рые могут быть положены в основу явления разрушения поликристаллических материалов в условиях сложного напряженного состояния. Отсюда вытекают некоторые практические выводы по рациональным способам расче та конструкций на прочность, которые будут рассмотре ны в гл. 4.
2.8. Особенности разрушения сталей
сгетерогенной структурой
Внастоящем разделе будет рассмотрен вопрос
оприменимости основных положений физики разруше
ния, разработанных выше, к сталям с гетерогенной, т. е. неоднородной по фазовому составу структурой. Строго говоря, все конструкционные углеродистые стали в зака ленном и отпущенном (так называемом улучшенном) состоянии являются гетерогенными, а именно двухфаз ными сплавами, содержащими наряду с основной (ма тричной) фазой — ферритом — включения второй ф а зы — карбида железа, чаще всего легированного цемен тита либо специального карбида. Поэтому физические закономерности разрушения, установленные на однофаз ном железе или на практически однофазной малоуглеро дистой стали, где наличие частиц карбидов еще не ска
104
зывается в заметной мере на условиях разрушения, тре буют уточнения и анализа их применимости для сталей, содержащих достаточно большие количества углерода. И уж совершенно очевидна необходимость проверки вы водов теории на перлитных сталях эвтектоидного типа, содержащих углерод в большом количестве (до 0,8% и более), у которых объемное содержание карбидных ча стиц превышает 10—15%. Можно не сомневаться, что основные характеристики физики разрушения (акр, Кв = = (Укр/сгт) каким-то образом будут зависеть от количест ва, размера и формы частиц второй фазы. Поэтому в настоящем разделе специально рассмотрим вопрос о закономерностях разрушения сталей с перлитной струк турой, типичным представителем которой является угле родистая сталь марки 70 или У8. В отожженном или нормализованном состоянии эти стали обладают харак терной структурой пластинчатого перлита, состоящего из правильно чередующихся пластин феррита и цементи та, образуя так называемые перлитные колонии (перлит-, ные зерна). Толщина ферритных пластин (ферритных промежутков) А и толщина цементитных пластин /ц мо жет изменяться в широких пределах в зависимости от условий термообработки, а именно от температуры изо термического распада переохлажденного аустенита.
При медленном охлаждении стальных образцов вме сте с печью после высокотемпературного нагрева (900— 1000° С) (отжиге) получается грубопластинчатый пер лит с толщиной цементитных пластин около 0,1—0,2 мкм и 0,5—1,0 мкм [7]. Если распад аустенита идет с охлаждением стали на воздухе (нормализация) или изо термически в ванне с расплавом соли при температуре около 500° С (патентирование), то получается тонкопла стинчатый перлит, часто называемый сорбитом патентирования, с толщиной ферритных промежутков А « 0,1-г-
-^0,2 |
мкм, и /ц « 0,01—0,02 |
мкм [7]. Эти |
параметры |
(А и |
^ц), характеризующие |
дисперсность |
перлитной |
структуры, оказывают первостепенное влияние на проч ностные характеристики стали — условный предел теку чести о02 и временное сопротивление аь (см. рис. 1.3). В работе [7] подробно изучался вопрос о природе проч-. ности перлитных сталей, где было показано, что проч ность перлита с пластинчатой структурой может быть описана известной зависимостью Холла — Петча (1.1),
105
если вместо размера зерна d использовать величину фер ритного промежутка А в перлите, исправленную на фи зически реализуемую длину линии скольжения в межцементитном промежутке ДС=4,75Д (1.2):
°в = °ов “Ь К Л с |
1 |
где стов — сопротивление движению дислокаций в фер ритной составляющей стали при достижении предела прочности; Кв — коэффициент, близкий к параметру /Ст в уравнении Холла — Петча и равный для стали около 2 кгс/мм8/*. Опыт показывает, что измельчение перлит ной структуры стали, т. е. уменьшение межцементитного промежутка приводит к линейному повышению проч ности в зависимости от А- ‘/f (см. рис. 1.3). При более
корректном рассмотрении этого вопроса формулу (1.2) следовало бы немного изменить, добавив в нее одно сла гаемое Кв^~1/г, учитывающее дополнительное упрочне ние, вызванное сопротивлением течению границ перлит ных зерен. Разумеется, в данном случае речь идет о гра ницах действительного зерна в стали, т. е. перлитных колоний, а не о бывших границах зерен аустенита. В этом существенное отличие понятия размера зерна d для железа и перлитной стали. В железе не существует подобной дилеммы, так как в структуре наблюдаются лишь действительные ферритные зерна, размер которых легко определяется под микроскопом. Прочность перлит ной стали, таким образом, должна описываться более сложной формулой (1.3)
а. = |
=■». + к Х |
12+ |
я д г ‘/2, |
|
которая в численном выражении, |
тем |
не менее, практи |
||
чески не отличается |
от (1.2), |
так |
как |
вклад слагаемого |
Ki4nl/2t вносимый в прочность стали, на порядок меньше,
чем от перлитного слагаемого /СвАс , ибо Ас минимум на два порядка меньше размера зерна dn. Но хотя абсо лютное значение упрочнения от границ перлитных зерен для стали сравнительно невелико, особенно у крупнозер нистых структур, для условий разрушения конкурирую щая роль зерна может оказаться решающей.
Казалось бы, что цементитная пластина в перлите не может иметь прямого отношения к силовым условиям хрупкого разрушения, т. е. не может стать непосредствен ным источником хрупкого скола в силу своих малых геомет рических размеров. Однако простой расчет показывает,
106
что |
при |
толщине |
цементитной |
|
|
|
|||||||
пластины /ц « 0,1 мкм |
(отжиг на |
|
|
|
|||||||||
грубопластинчатый |
перлит) |
раз |
|
|
|
||||||||
мер возможной трещины, возник |
|
|
|
||||||||||
шей при изломе такой пластины, |
|
|
|
||||||||||
оказывается |
|
вполне |
соизмери |
|
|
|
|||||||
мым |
|
с |
размером |
|
зародышевой |
|
|
|
|||||
субмикротрещины, |
возникшей в |
|
|
|
|||||||||
зерне даже |
небольшого |
размера |
|
|
|
||||||||
(d « |
7 -т- 10 |
мкм). |
Отсюда |
сле |
|
|
|
||||||
дует, что к излому |
цементитных |
|
|
|
|||||||||
частиц как возможному источни |
|
|
|
||||||||||
ку |
внутреннего |
растрескивания |
|
|
|
||||||||
стали при ее деформации нужно |
|
|
|
||||||||||
отнестись |
более |
|
внимательно. |
|
|
|
|||||||
Целый ряд авторов — М. Коэн и |
Рис. 2.31. |
Схема зарожде |
|||||||||||
М. |
Вуцкевич |
[62], |
а |
также |
|||||||||
Е. Смит [31], М. Хольцман [53], |
ния субмикротрещины при |
||||||||||||
срезе цементных пластин в |
|||||||||||||
Дж. Нотт [67] и многие другие — |
перлитной |
колонии: |
|||||||||||
вполне определенно рассматрива |
<ц — толщина пластины: Д — |
||||||||||||
ют пластинчатые |
выделения |
це |
Дс —длина эффективной ли* |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
межпластиночное расстояние: |
||
ментита |
на |
границах |
ферритных |
нии скольжения; |
сгр — раз |
||||||||
зерен |
отожженных |
малоуглеро |
мер субмикротрещины в сре* |
||||||||||
дистых |
сталей как |
несомненный |
зе пластин |
(Дс = 4,75 Д; сГр<" |
|||||||||
~Ю/ц). |
|
|
|||||||||||
источник разрушения. Не считая |
|
|
|||||||||||
доказательства |
инициирующей |
работах |
совершенно |
||||||||||
роли |
цементита |
в |
указанных |
||||||||||
бесспорным, |
|
все |
|
же |
следует |
признать |
логичность |
||||||
такой |
постановки |
вопроса |
в |
принципе. |
К |
этому |
надо добавить, что в перлитных сталях роль цементит ных пластин в качестве источника разрушения может оказаться более ощутимой, чем в малоуглеродистых, изза определенной кристаллографической ориентации пла стин феррита и цементита, в силу чего срез цементитных частиц происходит не по наименьшему размеру пла стин — ее толщине, а по сильно наклоненной плоскости скольжения, увеличивающей толщину среза почти в пять раз [7]: /Ср *= 4,75 /ц (рис. 2.31).
Удвоенную величину косого среза цементитной пла стины в перлите можно рассматривать как максималь ный размер субмикротрещины, инициированной пласти ческим сдвигом в перлитной стали (рис. 2.32) :
сгр =9,50/ц^ 10/ц.
107,
Отсюда по Гриффитсу легко получить выражение для на пряжения хрупкого разрушения, источником которого может оказаться такой срез перлитной колонии:
«5 = п j / " = п j / " .Щ - = Кц/ц"172 кгс/мм2, (2.44)
где Кц = я j / ^ » 0,78 кгс/мм2; /ц— в мм; п — фактор
ориентировки, равный приблизительно 1,15. Оценим ве личину о“ для перлита отожженной стали: /ц =*
в 0,1 мм = Ю-4 мм, а£ «=* 0,78 • 102 = 78 кгс/мм2, что
является вполне разумной величиной для хрупкой проч ности отожженной стали [75]. Примечательно, что в ра боте [76] напряжение хрупкого разрушения отожженных сталей оставалось одинаковым, хотя содержание угле рода изменялось от 0,2 до 1,0%. Это, естественно, наво дит на мысль, что не феррито-перлитная составляющая, а именно цементитная фаза в этих сталях оказалась ответственной за инициирование процесса разрушения.
Рис. 2.32, Срез цемент мл:ых пластин перлита при пластической де формации отожженной етали с0,7%С (но 17.6J).
108
Заметим тут же, что цементитная пластина в перлит ном эвтектоиде значительно более эффективна в каче стве источника разрушения, чем одиночные пластинча тые выделения на границах зерен в малоуглеродистых сталях, рассматривавшихся в работах [31, 53, 62, 67]. Это вполне понятно, если вспомнить, что при одинаковой
толщине цементитной |
пластины |
субмикротрещина в |
перлите оказывается |
почти на |
порядок больше (Сгр « |
« 10/ц), а соответствующая величина Огр примерно в три раза меньше, чем в случае одиночного цементитного включения на границе ферритных зерен [31, 53, 62, 67]. Но не следует забывать, что как в том, так и в другом случае наряду с растрескиванием цементита в полосах скольжения существуют возможности зарождения ди слокационных субмикротрещин на границах зерен. Раз меры этих субмикротрещин, непосредственно связанные с размером зерна d (с3 « 1/70 d), могут оказаться боль ше удвоенных срезов цементитных пластин и тогда преи мущественные возможности распространения будут не у цементитных, а у зеренных субмикротрещин. Значит, у перлитных сталей может существовать два независи мых субмикроскопических источника разрушения — либо зеренный (зарождение субмикротрещин на границе пер литных зерен подобно поликристаллическому железу), либо цементитный (инициирование субмикротрещин в срезах цементитных пластин). В соответствии с этим можно различать два микромеханизма инициирования разрушения — гомогенный, зеренный (подобный меха низму разрушения на железе) и гетерогенный, цементит ный, свойственный только сталям с достаточно большим количеством углерода. Поскольку существует конкурен ция двух механизмов инициирования разрушения, то ре зультирующая силовая характеристика разрушения — напряжение ар — определяется тем, какой из двух струк турных факторов — зерно перлита dn или пластина це ментита — дал трещину большего размера. Из двух возможных уровней разрушающего напряжения оКр (d) и ар (^ц) реализуется тот, который будет соответствовать большей субмикротрещине, т. е. меньшему значению агр. Не будем забывать что это, меньшее из двух напряже ний разрушения, обязательно должно быть больше на пряжения течения ат, иначе не сможет возникнуть ни зеренная, ни цементитная субмнкротрещины.
109
Итак, критическим, переходным условием от одного микромеханизма разрушения к другому будет равенство
Зкр (Ф = Зр (<„): |
|
|
1 = |
0,78<ц-|/2. |
(2.45) |
Отсюда критическое соотношение между структурными параметрами стали:
^ 550. (2.46)
Это значит, что если у стали зерна достаточно крупные (dn > 6(ШЦ), то разрушающее напряжение будет соот
ветствовать обычному |
железу (оКр = 18^_,/г), если це- |
ментит слишком грубый |
d^ |
ёоо)’ напРяжение разруше |
ния окажется ниже сгир. Таким образом, на структурно силовой диаграмме разрушения перлитной стали долж ны наблюдаться области, где параметры разрушения железа и стали совпадают, а также области, где напря жения хрупкого разрушения железа и стали различа ются.
Опытная проверка этого предположения была осуще ствлена в работе [75]. Сталь 70 отжигалась в печи при температуре 1050° С с последующим охлаждением вме сте с печью. Была получена структура грубопластинча того перлита, причем за счет различного времени аусте низации размер перлитного зерна на разных партиях об разцов удалось обеспечить от 10 до 210 мкм при одина ковой дисперсности перлита. Измерения напряжения разрушения показали, что в пределах разброса серии образцов с наиболее крупным перлитным зерном удов летворяют критерию хрупкого разрушения железа (рис. 2.33), серии с меньшими размерами зерен оказались в области ниже аКр.
Поскольку при отжиге стали весьма трудно добить ся достаточно мелкого перлитного зерна, чтобы заведо мо выполнялось критическое условие (2.46) перехода к цементитному источнику разрушения, то опыты были продолжены на той же стали, обработанной на более дисперсную перлитную структуру путем изотермической закалки в соляную ванну с температурой около 500° С (патентирование) или простым охлаждением образцов на спокойном воздухе (нормализация). Серия экспери ментальных точек для сталей с более дисперсной струк-
110