книги / Технологические остаточные напряжения и их влияние на долговечность и надёжность металлоизделий

вильном режиме горячей пластической деформации. Такие разрывы не одиночны и имеют меньшие размеры.

Неправильный режим ковки может вызвать появление ковочных трещин, которые появляются внутри заготовки около осевой зоны

ввиде трещин по диагоналям (ковочного креста) либо нескольких трещин, направленных от оси заготовки в стороны.

Трещины от рванин (рис. 3.8, б) представляют собой нерегулярно расположенные надрывы (расслоения) преимущественно у ребер проката, но могут встречаться и по всей поверхности. Имеют различную глубину. Тонкие сетки трещин часто являются началом общего растрескивания.

Осевые интеркристаллитные и межкристаллитные трещины (рис. 3.8, в) в отличие от ковочных более прямолинейные и широкие. Они располагаются произвольно по оси заготовки.

Вследствие чрезмерного локального повышения температуры, вызывающего диффузию кислорода вдоль границ зерен, возникают явления внутреннего пережога (рис. 3.8, г). На макротемплете пережог выглядит в виде разветвленных трещин, часто расположенных

ввиде сетки. При пережоге может произойти разрушение внутренней зоны под действием горячей пластической деформации. Такой вид дефекта называется черновиной, которая на макрошлифе выявляется в виде рыхлой, сильно травящейся зоны или пятен и участков. В продольном изломе пережог проявляется в виде нарушения сплошности металла, а при малой степени развития – в виде крупнозернистых полос с надрывами.

Флокены (рис. 3.8, д) – тонкие извилистые трещины длиной до 30 мм и более. В поперечном сечении на травленых темплетах флокены ориентированы беспорядочно. Если при последующей горячей деформации заготовки, имеющей флокены, последние не завариваются, образуется скворечник от флокена (рис. 3.8, е). Эти дефекты произвольно расположены по длине и сечению заготовки.

Шлифовочно-травильные трещины (рис. 3.8, ж) являются результатом слишком сильного прижима металла твердым абразивным кругом и недостаточного охлаждения металла при шлифовании. Они

131

имеют вид тонкой сетки, расположенной перпендикулярно к направлению шлифовки. Шлифовально-травильные трещины не принимаются во внимание при оценке макроструктуры.

В прокате могут наблюдаться также свищи, представляющие собой крупные газовые включения, располагающиеся отдельно или группами по сечению заготовки, в том числе и в краевой зоне. Выявляются в виде отдельных крупных пустот и пор круглой, овальной или вытянутой формы. Свищи часто расположены несимметрично по сечению заготовки.

Следует отметить, что наличие микротрещин не препятствует надежной работе машин и конструкций до тех пор, пока связанная с ним повреждаемость не приводит к снижению прочности ниже предельно допустимого уровня.

С учетом величины и знака остаточных напряжений можно оценить предельные размеры и скорость роста трещины, а следовательно, и долговечность деталей. Например, за счет остаточных напряжений сжатия в области локальной деформации у вершины трещины возникает интенсивное упрочнение, т.е. сжимающие остаточные напряжения будут замедлять процесс разрушения [20]. И наоборот, растягивающие остаточные напряжения оказывают значительное влияние на быстрое раскрытие трещин и, как следствие, приводят к макроразрушению металла.

3.5.1. Основные подходы механики разрушения

При постоянной нагрузке трещина в некоторых условиях может стабилизироваться, при переменных нагрузках выше определенного уровня длина трещины l постоянно растет. Скорость развития трещины и ее критическая длина lкр, при достижении которой возникает

опасность быстрого разрушения конструкции, зависят от коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины К1 = σ πl , из-

меряемого в МПа мм1/2 [19].

При медленно возрастающей нагрузке условием начала разрушения является равенство

132

К1 = К1с ,

где К1с – характеристика сопротивления материала развитию трещи-

ны (трещиностойкость), называемая вязкостью разрушения. Отсюда следует

2

l = К1с 1 . (3.22)

кр σ π

Начало исследований развития трещин относится к первой половине XX века. Появление работ Гриффитса положило начало новому этапу механики разрушения – детальному изучению процесса разрушения. При таком подходе при оценке прочности учитываются уже имеющиеся в теле трещины или подобные им дефекты. Развитие таких реальных дефектов и обусловливает весь процесс разрушения. Условие развития трещины А. Гриффитс сформулировал в виде уравнения энергетического баланса [21]

∂∂l (W −Г) = 0 ,

где W – потенциальная энергия деформации пластины; Г – поверхностная энергия трещины; l – полудлина трещины (рис. 3.9).

Условие разрушения можно записать в виде

Суть подхода А. Гриффитса: трещина в твердом теле будет развиваться во время его деформации, если скорость освобождения потенциальной энергии деформации будет больше прироста поверхностной энергии тела в результате образования новых поверхностей. Поверхностная энергия трещины для пластины единичной толщины

имеет вид

Г = 4l γ,

где γ – удельная поверхностная энергия разрушения.

133

где σ – разрушающее напряжение; γ – поверхностная энергия; l –

критическая полудлина большей оси эллиптической трещины. Критерий (3.25) логически верно отражает физическую картину

разрушения (с ростом длины начальной трещины необходимое напряжение снижается) и дает правдоподобные оценки размеров трещины при разрушении хрупких материалов, например стекла. Однако существует ряд ограничений использования энергетического критерия Гриффитса, а именно: критерий неприемлем для пластичных материалов; отсутствует взаимодействие поля напряжений у трещины со свободными поверхностями, так как уравнения выведены для единичной толщины, содержащей маленькую плоскую трещину; уравнения (3.24) и (3.25) дают только пороговое значение напряжения начала нестабильного разрушения; разрушение трактуется с чисто геометрических позиций в упругой области, единственным используемым свойством материала является поверхностная энергия.

Важным этапом в теории распространения трещин явились работы Ирвина [22] и Орована [23], в которых была развита концепция квазихрупкого разрушения: пластичные материалы при стандартных испытаниях на растяжение разрушаются по квазихрупкому механизму, где пластическая деформация сосредоточивается в очень узком слое вблизи поверхности трещины. Ими показано, что для пластичных материалов можно воспользоваться уравнением Гриффитса, вводя вместо поверхностной энергии работу пластической деформации у поверхности трещины, которая может быть на несколько порядков больше поверхностной энергии материала.

Распространение теории трещин на квазихрупкие материалы и развитие линейной механики разрушения позволило добиться значительных успехов в оценке сопротивления разрушению тел с трещинами или вязкости разрушения. Сопротивление развитию трещины можно уподобить растущему сопротивлению пластической деформации в результате деформационного упрочнения.

За последние годы опубликовано много работ по математической трактовке и практическому определению вязкости разрушения [24, 25]. Многочисленные исследователи показали связь критерия

135

вязкости разрушения с различными механическими свойствами материалов. Например, Крафт [26] при анализе влияния энергии дефекта упаковки на вязкость разрушения использовал критерий в виде

где d – размер зоны пластической деформации; σ0,2 – условный

предел текучести.

Для оценки влияния карбидной фазы на вязкость разрушения сталей наибольшее распространение получила модель Райса и Джон-

сона [27]:

области длиной ry и раскрытием трещины (приняв для плоской де-

формации εmax = 13 εd , где εd – полная деформация при растяжении гладкого образца), получили

деформационного упрочнения п для 11 марок сталей, алюминиевых и титановых сплавов было установлено, что ry = п2 и тогда выражение (3.28) примет вид

136

Сравнение значений К1c , вычисленных по формуле (3.29), с ре-

альными значениями, полученными методами линейной механики разрушения, для высокопрочных сталей, подвергнутых различным термическим обработкам, показало хорошее соответствие между теорией и экспериментом.

Несмотря на многообразие критериев оценки вязкости разрушения, попытки построения универсальных корреляционных соотношений между К1c и механическими свойствами не увенчались успе-

хом. Хотя в ряде случаев были найдены тесные корреляции. Например, критерий оценки вязкости разрушения Ю.И. Рагозина и Ю.Я. Антонова [29], имеющий вид

где Wi – энергия однородной пластической деформации, определяемая площадью под диаграммой растяжения; L – постоянный множитель, имеющий размерность 10−3 м.

Энергия однородной пластической деформации определяется по формуле

где δ – равномерное удлинение образца при растяжении.

В табл. 3.1 приведены основные формулы расчета для различных напряженных состояний и видов трещин [30].

137

Таблица 3.1

Соотношения для расчёта коэффициента интенсивности напряжений в зависимости от вида трещин

138

0 < al <1,0 < lt ≤ 0,4 (Черепанов, 1969 г.)

139

Таким образом, в зависимости от вида дефекта и напряженного состояния можно в соответствии с табл. 3.1 подобрать расчетные выражения и поправочные коэффициенты для определения вязкости разрушения.

3.5.2.Оценка предельно допустимых дефектов

втрубах при наличии остаточных напряжений

Критерии разрушения можно использовать для определения критических значений трещин, существующих в осесимметричных металлоизделиях. Результаты исследования остаточных напряжений, изложенные в гл. 2 показывают, что для конструкционных сталей и титановых сплавов значения растягивающих окружных остаточных напряжений значительно выше, чем значения радиальных и осевых напряжений. Опасным при этом с позиций механики разрушения являются продольные трещины [31]. Поэтому целесообразней показать зависимость изменения lкр от σθ согласно (3.22).

Найдем выражения для определения критической длины продольной трещины при действии максимальных окружных остаточных напряжений (3.10) на наружной поверхности трубы: при r = R1 с использованием критериев вязкости разрушения:

Хана и Розенфильда

Аналогично определим допустимые размеры продольных дефектов при действии остаточных напряжений в соответствии с выражениями (3.5) на поверхности прутка ( r = 1), с использованием критериев разрушения:

140