книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

лического нагружения на растяжение—сжатие с частотой 20 кгцу и некоторые данные, позволяющие предполагать, что действие этих уравнений возможно и за пределами тех экспериментальных условий, в которых они были выведены.

Неблагоприятное влияние на температуру перехода сталей в хрупкое состояние оказывает нейтронное облу­ чение. В ряде работ [208, 231, 234, 236, 262] приведены количественные данные, характеризующие влияние об­ лучения на температуру перехода в хрупкое состояние раз-

Рис. 69. Влияние нейтронного облучения на температуру перехода стали в хрупкое состояние:

1 — сталь: 0,14% С, 1% Сг и 0,5% Мо, облучение при 250° С [234]; 2 — раз­ личные малоуглеродистые стали с Мп, Мо и В, температуры облучения — 160— 195е С [231]; 3 — стали малоуглеродистые для емкостей высокого давления температуры облучения от 93 до 300° С [236]; 4 — малоуглеродистая сталь, температура облучения 50—100° С; 5 — котельная сталь; 6 — углеродистые

и низколегированные стали, температуры облучения ниже 232е С [262]

личных конструкционных сталей. На рис. 69, по данным этих исследований, приведена зависимость смещения кри­ тической температуры хрупкости от дозы нейтронного облучения. Высота вертикальных штрихов на рис. 69 соответствует разбросу значений смещения критической температуры хрупкости, определяемой по различным кри­ териям. Эти данные показывают, что критерий для опре­ деления критической температуры хрупкости при испыта­ нии на ударную вязкость облученных образцов, по-ви­ димому, существенного значения не имеет. Это вытекает также из непосредственных результатов исследования [234], в котором кривые температурной зависимости удар­ ной вязкости сдвигались под влиянием нейтронного об­ лучения в сторону высоких температур приблизительно эквидистантно. Не очень сильно влияет на чувствитель­

112

ность критической температуры хрупкости сталей к ней­ тронному облучению и химический состав сталей, по край­ ней мере, в пределах исследованных в работах [231, 234, 236, 262] составов. В работе [236] отмечено, что при повышении температуры облучения выше 300° С наблю­ дается уменьшение неблагоприятного влияния облучения на хладостойкость за счет того, что происходит частичное «залечивание» радиационных повреждений.

В работе [208] на основании изучения влияния ней­ тронного облучения на механические свойства чистого железа (0,08% примесей) установлено, что облучение вызывает повышение предела текучести. При этом в об­ лученном материале не соблюдается характерная зависи­ мость предела текучести от корня квадратного из диаметра зерна стали. В этой работе сделан вывод, что изменение механических свойств при малых дозах облучения связано с увеличением плотности точечных дефектов. При больших дозах возникают скопления дефектов и развивается взаимо­ действие скоплений с дислокациями, приводящее к воз­ никновению устойчивой дислокационной сетки. Это соз­ дает препятствия для развития процессов скольжения и повышает вероятность зарождения хрупких трещин.

Содержащийся в стали водород, как было показано в главе 3, может в некоторых условиях способствовать повышению температуры перехода стали в хрупкое со­ стояние. Кроме металлургического и технологического водорода, в стали может оказаться некоторое добавочное, иногда очень значительное количество водорода, проникше­ го в металл при эксплуатации изделия. Следует иметь в виду, что этот приобретенный водород проявляет склон­ ность задерживаться и постепенно накапливаться в стали.

Водород хорошо поглощается сталью при развитии на ее поверхности процессов электрохимической коррозии. Так, при десятидневном вылеживании во влажной мешко­

В работе [280] наблюдалось коррозионное растрески­ вание высокопрочных сталей, легированных хромом, ни­ келем и молибденом, в результате электрохимической коррозии во влажном воздухе. Причиной растрескивания было поглощение сталью водорода. Такое обогащение

Глава 5

ВЫБОР СТАЛЕЙ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ СТАЛИ К ХЛАДНОЛОМКОСТИ

Надежность и долговечность машин и строительных конструкций при нормальной и особенно при низкой тем­ пературе в значительной степени зависят от сопротивляе­ мости выбранной стали хрупким разрушениям. Выбор сталей для конструкций, работающих в условиях низких температур, представляет собой в настоящее время очень трудную задачу. Трудность ее заключается прежде всего в том, что до сих пор нет еще методики инженерного расчета конструкций на прочность при низких температу­ рах, который бы количественно учитывал способность стали переходить при охлаждении в хрупкое состояние. Эта способность при выборе стали для работы при низких температурах пока еще учитывается только качественно, и ее характеристики не используются в расчете. Задача выбора сложна также и потому, что методы оценки склон­ ности к хрупкости должны учитывать и отображать с до­ статочной степенью приближения условия работы кон­ струкции, наличие концентраторов напряжений и других конструктивных несовершенств, а также технологические особенности конструкции и возможные в ней дефекты технологического происхождения.

К настоящему времени предложено много различных методов определения склонности металлов к хрупкости. Каждый из них в отдельности дает информацию о склон­ ности к хладноломкости в данных условиях нагружения определенного образца с заданными геометрическими раз­ мерами и определенным видом надреза. Обобщение полу­ чаемых на одном образце результатов на образцы другого

вида и тем более на реальные элементы конструкций смысла не имеет.

При выборе того или иного метода оценки склонности к хрупкости обычно исходят из предположения, что ве­ роятность хрупкого разрушения будет достаточно малой, если исследуемая сталь при заданном методе испытания будет переходить в хрупкое состояние при более низких температурах, чем рабочая температура конструкции. Чем больше этот «температурный запас» вязкости, тем более надежной должна быть работа конструкции при низких температурах. К сожалению, такой подход страдает не­ определенностью, так как за редким исключением совер­ шенно неясно, каким должен быть минимально этот «запас вязкости» и по какому критерию его правильнее всего определять применительно к данному изделию.

Существующие методы оценки склонности к хрупкости можно условно разделить на три группы: 1) оценивающие сопротивление стали зарождению хрупких трещин; 2) оце­

1. Методы, оценивающие сопротивление стали за­ рождению хрупких трещин

Типичными представителями этой группы являются методы оценки хладноломкости, использующие деформа­ ционные характеристики ударных образцов — стрелу про­ гиба (рис. 71, а) или размеры поперечного сечения образца (рис. 71, б). Во втором случае деформационная характери­ стика определяется по выражению

D = b = h . . 100%,

°0

где Ь0 — начальная ширина образца; Ьх — ширина об­ разца в зоне под надрезом после испытания.

Для каждой температуры испытания находят коэф­ фициент!) и по его температурной зависимости определяют

критическую температуру хрупкости Т?. Как правило, существует линейная связь между деформационной харак-

11 6

теристикой D и ударной вязкостью (рис. 72). Поэтому методы этой группы не дают принципиально новых ре­ зультатов по сравнению с методами, основанными на удар­ ной вязкости.

2. Методы, оценивающие сопротивление стали распространению имеющихся трещин

Наиболее простыми и распространенными в лабора­ торной практике являются методы визуальной оценки сте­ пени кристалличности поверхности излома образца, испы­ танного на ударную вязкость [55, 176]. После испытания при дбстаточно высокой температуре, когда разрушение происходит с большим поглощением энергии, вид излома имеет волокнистый характер. При снижении температуры в изломе появляются блестящие, «кристаллические» уча­ стки, площадь которых увеличивается с понижением тем­ пературы. Критическая температура хрупкости опреде­ ляется как температура, при которой достигается опреде­ ленная величина доли волокнистой составляющей в из­ ломе. Несмотря на некоторую субъективность оценки процента хрупкой составляющей в изломе, этот метод позволяет в ряде случаев надежно характеризовать склон­ ность стали к хрупкости. Так, в работе [70] в результате исследования влияния типа надреза образца на склонность к хрупкости сталей НЛ-2Т и БСт.З (рис. 73) сделан вывод, что оценка хладноломкости по виду излома лучше вы­ являет различие в хладостойкости сталей, чем оценка по

117

величине ударной вязкости. Из табл. 11 видно, что сравне­ ние сталей по критической температуре, найденной по разным критериям и на различных образцах, неравно­

ных надрезов (табл. 13). В работе [112] показа­ на связь между характером излома и ударной вязко­

стью опытных плавок ма­ лоуглеродистых сталей с различным содержанием марганца. Было обнаруже­ но большое расхождение

температурных зависимостей ударной вязкости и доли вяз­ кой составляющей в изломе ударных образцов. Электронно­ микроскопический анализ поверхности макроскопически хрупкой («кристаллической») части излома показал, что тон­ кое строение этой части излома непостоянно и зависит от со­

1 1 8

Таблица 12

Влияние геометрии надреза на температуру хладноломкости стали 18Г2 [9,43]

119

хрупких изломах образцов, разрушившихся со значитель­ ным поглощением энергии (больше 4 кГм/см2), при больших увеличениях четко выявляются локальные области вязкого разрушения, рассеянные среди фасеток с ручьистым из­ ломом. Наличие в изломе этих областей является основ­ ной причиной значительного поглощения энергии удара при хрупком с виду разрушении образцов. Чем ниже температура испытания, тем меньше, при прочих равных условиях, остается в структуре изломов микроучастков вязкого разрушения и тем больше характерных для хруп­ кого разрушения участков скола с небольшими язычками.

Таким образом, работа разрушения, приходящаяся на единицу площади хрупкой составляющей в изломе, не­ одинакова для различных сталей и зависит от тонкой структуры излома, которая разрешается только при элек­ тронномикроскопическом исследовании. Это обстоятель­ ство делает оценку склонности стали к хрупкости по макро­ скопическому виду излома неравнозначной. Кроме того, при оценке склонности стали к хрупкости по результатам серийных испытаний на ударную вязкость нельзя пол­ ностью пренебрегать работой зарождения трещины, о ко­ торой ничего не говорит вид излома. Этого нельзя делать потому, что в реальных конструкциях далеко не всегда имеется готовая к распространению трещина.

В работах [54, 55, 92 ] получил развитие метод оценки склонности стали к хрупкости, основанный на анализе диаграмм статического изгиба надрезанных образцов. Осо­ бенность метода заключается в том, что оценка стали про­ изводится не по полной работе изгиба, а только по той части диаграммы деформации, которая лежит за макси­ мумом усилия (рис. 74) и отражает работу деформации, затрачиваемую на развитие появившейся в надрезе тре­ щины. За критерий наступления хрупкости в этом слу­ чае принимается равенство нулю работы распространения трещины (заштрихованная область на рис! 74).

В работе [55] показано, что первые трещины появ­ ляются до того, как нагрузка достигает максимального значения. Поэтому точки максимума нагрузки или пер­ вого срыва усилия, строго говоря, соответствуют дости­ жению трещиной некоторой критической длины, доста­ точной для превращения зародышевой трещины в маги­ стральную. В связи с этим был предложен усовершенство­ ванный вариант определения работы распространения

120