книги / Физические основы разрушения стальных конструкций
..pdfТо же можно представить иначе — умножить и раз делить (4.26) на d22:
J K p
dV2 |
2 ^-1/2 |
(4.27) |
|
Формулы (4.26) |
и |
(4.27) отличаются тем, |
что (4.26) |
|||
дает выражение |
акнр |
через размер большего в структуре |
||||
типичного зерна о\, (4.27) ту же величину о“р |
выражает |
|||||
через |
меньший |
размер зерна |
d2 Как видим, а"р |
< |
||
< а„р |
{d\), т. е. |
неоднородная |
структура |
склонна |
к |
хрупкости даже больше, чем однородная с более круп ным из имеющихся зерен (4.26). Удобнее, однако, поль зоваться формулой (4.27), выражающей о»р через
размер меньшего зерна d2, тогда 0кнр оказывается ниже
Пир пропорционально степени разнозернистости, т. е. отношению d2/di, где d2 < d\. Таким образом, неодно родность структур, проявляющаяся в наличии неравно прочных структурных составляющих (в соизмеримых количествах) или в явной разнозернистости, когда на блюдаются два типичных размера зерна, является пря мой причиной понижения окр и повышенной склонности
кхрупкости. Качественно вредная роль неоднородностей
вструктуре хорошо известна на практике, но теперь впервые удалось получить количественную интерпрета цию степени этой вредности. Становятся ясными и сред ства понижения степени ее вредности — если неоднород ности избежать не удается, то предпочтительнее менее прочную структурную составляющую (феррит) иметь в более мелком зерне, тогда как более прочную (перлит) лучше не измельчать или получить по возможности в более мягком виде (отжиг, нормализация). Наиболее резко такая структурная неоднородность проявится, если прочная составляющая получит наибольшую прочность,
т.е. будет в форме мартенсита. Подобная картина воз никает в структуре высокопрочных легированных ста лей, когда в результате нарушений технологического режима охлаждения при закалке наряду с мартенситом в структуре появляются участки бейнита или сорбита. Вредная роль наличия в структуре закаленной стали
8* |
211 |
|
|
|
|
немартенситных |
продуктов |
за |
|||||||||
|
|
|
|
калки |
хорошо |
известна |
|
на |
|||||||
|
|
|
|
практике |
и |
неоднократно |
под |
||||||||
|
|
|
|
черкивается |
в |
работах |
[3, |
10 |
|||||||
|
|
|
|
и др.]. |
|
|
|
|
|
наличие |
в |
||||
|
|
|
|
Следовательно, |
|||||||||||
|
|
|
|
больших |
количествах |
мягких |
|||||||||
|
|
|
|
участков в соседстве с проч |
|||||||||||
|
|
|
|
ным |
материалом |
основы явля |
|||||||||
|
|
|
|
ется |
фактором |
|
охрупчивания, |
||||||||
|
|
|
|
а не пластифицирования, |
как |
||||||||||
|
|
|
|
иногда принято полагать в по |
|||||||||||
|
|
|
|
добных |
случаях. Точно |
также |
|||||||||
Рис. 4.16. |
Влияние |
скоро |
наличие |
|
большого количества |
||||||||||
мелких |
зерен |
в |
крупнозернис |
||||||||||||
сти нагрева |
на распределе |
||||||||||||||
ние зерен аустенита по раз |
той |
структуре |
не |
облагоражи |
|||||||||||
мерам |
в |
конструкционной |
вает |
крупнозернистую |
сталь, |
||||||||||
стали 40X2HFQM: |
|
а еще |
более |
ее |
|
охрупчивает. |
|||||||||
/—нагрев до скорости 250 град/с |
Здесь |
следует |
|
подчеркнуть, |
|||||||||||
(СЭТО); |
2 — нагрев до |
100° С |
|
||||||||||||
со скоростью 0,2 град/с |
[89]. |
что важно не просто наличие |
|||||||||||||
зерен |
в |
|
|
небольшого количества |
мелких |
||||||||||
структуре, такие |
зерна |
всегда |
имеются |
в |
любой стали на «хвосте» статистического распреде ления зерен по размеру. Для того чтобы вредная роль мелких зерен проявилась, их должно быть достаточ но много (ориентировочно 30-;-70%) с тем, чтобы в каж дой полосе скольжения обязательно оказалось мелкое зерно с неблагоприятной ориентировкой систем сколь жения, иначе связанное с ним перенапряжение тЭф2 не будет существенно большим, чем перенапряжение на границе одинаковых по размеру, но неблагоприятно ори ентированных зерен. Именно поэтому обычный стати стический разброс размеров зерен не столь сильно влияет на сткр, так как реальное воздействие на процесс оказывают не «хвосты» распределения, а ширина его средней части, охватывающей участок d2 и d\ с вероят ностью в 10% и более (рис. 4.16). Конечно, чем уже колокол распределения, тем ближе друг к другу d\ и di н тем меньше ок“р отличается от акр для среднего разме
ра d. Поэтому повышение статистической однородности размеров зерен в структуре также является одним из полезных средств оптимизации структуры конструкцион ных материалов. Скоростная электротермическая обра-
212
ботка — одно из эффективных средств повышения одно родности структур улучшаемых машиностроительных сталей [89] (рис. 4.16).
4.4. Некоторые рекомендации по рациональным методам упрочнения изделий из высокопрочных конструкционных сталей
В предыдущем разделе, посвященном оптими зации структурного состояния, уже упоминались некото рые принципиальные пути и средства повышения кон струкционной надежности материалов, основанные на использовании методов термической и деформационной обработки. Однако, учитывая результаты, полученные в предыдущих разделах монографии, полезно суммировать рекомендации, вытекающие из физической теории кон струкционной прочности, в виде отдельного заключи тельного раздела, позволяющего специалисту, интере сующемуся лишь практическими выводами настоящей работы, получить итоговую информацию прикладного плана.
В гл. 1 при анализе современных представлений о связи структуры стали с ее прочностью, мы упомина ли ряд общих рекомендаций по повышению конструк ционной прочности, изложенных главным образом по монографии Г. В. Курдюмова, Л. М. Утевского и Р. И. Энтина [3]. Сейчас имеется возможность вернуть ся к наиболее важным из этих рекомендаций и рассмот реть их под углом зрения результатов настоящей рабо ты, а также дополнить их новыми соображениями.
Так, на с. 204 авторы [3] приходят к предположению, что основным структурным фактором, определяющим склонность сталей со структурой мартенсита к хрупко му разрушению, является размер мартенситного «паке та». На рис. 2.16 и 2.21 это подтверждается не только качественно, но и количественно, так как аКр = 18 йм~,/г. где dM— средний размер мартенситного «пакета». Сооб ражения о влиянии природы и морфологии частиц вто рой фазы, выделяющихся при распаде мартенсита, под тверждаются обнаружением и доказательством сущест вования цементитного микромеханизма разрушения в углеродистых сталях (см. рис. 2.33), количественное
213
выражение роли цементита в разрушении стали имеют вид окР = 0,78 /ц-1/*. Отсюда же следует правомерность вывода о том, что «повышение содержания углерода нельзя рассматривать в качестве перспективного пути повышения конструктивной прочности сталей с мартен ситной структурой» [3].
Коснемся некоторых рекомендаций авторов [3] отно сительно мер, способствующих снижению склонности к хрупкому разрушению сталей в состоянии после закал ки и низкого отпуска.
1. Необходимо предотвратить образование в процес се охлаждения при закалке немартенситных продуктов превращения (феррит, перлит, бейнит), наличие кото рых приводит к усилению склонности к хрупкому раз рушению [3]. Так, содержание в стали 20ХГ 5% ферри та после закалки и отпуска при 250° С приводит к повышению критической температуры хрупкости при ударных испытаниях от —20 до +40° С [93]. Этот вывод прямо вытекает из влияния структурной неоднородно сти на акр, рассмотренного в разделе 4.3, где была при- -
ведена количественная |
оценка эффекта охрупчивания |
от наличия «мягких» и |
«жестких» участков (зерен) в |
структуре стали. |
|
2. Для высокопрочной стали особенно опасно повы шенное содержание вредных примесей (серы, фосфора), существенно повышающих склонность к хрупкому раз рушению. В стали 38ХНМ после закалки и отпуска, когда ств = 200 кгс/мм2, при содержании фосфора 0,02; 0,01 и 0,003% значения ударной вязкости образцов с трещиной атр составляют соответственно 0,7; 1,2; 2,5 кгс*м/см2 [3]. Известно, что фосфор обладает спо собностью концентрироваться на границах зерен и силь но упрочнять a-фазу в приграничных зонах. Принимая е о внимание поверхностную активность фосфора, при водящую к снижению поверхностной энергии ув зонах его концентрации, можно полагать, что снижение у ве дет к облегчению зарождения субмикротрещин у границ зерен, в результате чего акр снижается пропорциональ но у. Этот эффект может быть очень большим, так как имеются данные о том, что фосфор более чем на порядок может понизить величину у в железе [94]. Таким обра зом, причина охрупчивающего влияния вредных раство римых примесей состоит не в ослаблении релаксации
214
напряжений [3], а в катастрофическом падении вели чин Окр и Квиз-за снижения у в пограничных зонах ме талла (по формуле (2.33)).
3. Легирование стали рядом элементов (никель, ко бальт) приводит к повышению вязкости, по мнению ав торов [3], в результате увеличения подвижности дисло каций и, как следствие, облегчения релаксации «пиков» напряжений. Однако исходя из результатов работ Я. М. Потака [66], в которых была показана зависимость величины сопротивления отрыву от легирования железа целым рядом элементов, включая никель и кобальт (см. рис. 2.15), это не совсем так. Следует согласиться с выводом автора [66] о том, что для хрупкого разрушения сплавов железа легирование оказывается полезным лишь в той мере, в какой оно оказывает влияние на размер зерна или эквивалентные ему структурные эле менты, формирующиеся в процессах термической обра ботки стали. По-видимому, эффект пластифицирования стали за счет увеличения подвижности дислокаций, ко торый, несомненно, имеет место, играет в этом вопросе второстепенную роль.
4. Значительное уменьшение размеров аустенитного зерна и, следовательно, размеров мартенситных кристал лов — несомненно наиболее эффективный способ повы шения сопротивления хрупкому разрушению. В физиче ской теории это отражено в формуле акр = KPd1/^(Kp=
=18 кгс/мм3/2).Временное сопротивление стали У8 (~0,8% С)
при зерне |
аустенита |
13—15 баллов ( d ^ 2 |
мкм) |
после |
||
закалки |
и отпуска при 200° С достигает 270—280 кгс/мм2 |
|||||
[3, 95]. |
И |
при |
столь высокой прочности |
такая |
сталь |
|
должна |
обладать |
хорошей вязкостью, так |
как |
окр ^ |
||
^ 18(1000/2)02~ |
400 |
кгс/мм2, т. е. /Св^ 1 ,5 , |
но, однако, |
|||
фактическая вязкость этой стали оказывается |
значительно |
ниже, поскольку цементитные пластинки отпущенной
стали У8 толщиной я^0,01 мкм (10 нм) |
ограничивают |
величину o.tp на уровне ОкР == 0,78 .(10s)1/2 ^ |
250 кгс/мм2, |
т. е. практически такая сталь близка к состоянию охруп чивания. Действительно, так как dlt^zx 200 < 550, сталь У8 находится в закритическом структурном состоянии, где цементит контролирует разрушение. Но сталь с мень шим содержанием углерода (0,4% С), о таким же мелким зерном при прочности 230 кгс/мм2 обладает приемлемой пластичностью (рис. 4.17), так как пониженная толщина
215
<5,нгс/ммг |
|
|
|
fA% |
цементитных |
пластинок |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
привела к повышению Окр. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Так |
что |
несомненно |
по |
||
|
|
|
|
|
|
|
лезная рекомендация |
по |
||||
|
|
|
|
|
|
|
лучения |
сверхмелкого зер |
||||
|
|
|
|
|
|
|
на |
требует корректировки |
||||
|
|
|
|
|
|
|
в свете |
выводов |
физиче |
|||
|
|
|
|
|
|
|
ской теории |
разрушения, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
рассматривающей |
цемен |
||||
|
|
|
|
|
|
|
тит |
как |
конкурирующий |
|||
|
|
|
|
|
|
|
источник разрушения. Зер |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
но |
в стали |
(«пакет» |
мар |
||
|
■ |
I |
I |
I-----1-----L |
тенсита) |
не |
имеет |
смысла |
||||
|
измельчать до величин ме |
|||||||||||
|
7 |
9 |
11 |
12 13 |
14 |
|||||||
|
|
Балл зерна N |
|
|
нее чем |
550 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
5. |
|
|
|
|
|
Рис. |
4.17. |
Характеристики |
проч |
ренних микронапряжений |
||||||||
ности и пластичности стали с 0,4° С |
как |
фактора, способству |
||||||||||
при |
различной |
величине |
зерна |
ющего преждевременному |
||||||||
аустенита после |
закалки и отпус |
|||||||||||
ка |
при |
температуре |
200° С (по |
(до |
наступления |
общей |
||||||
[95]). |
|
|
|
|
|
текучести) |
зарождению |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
субмикротрещин, |
была |
рассмотрена в гл. 2. Поэтому снижение уровня микро напряжений в закаленных сталях средствами термиче ской обработки [74] или программного нагружения, вы полняемого с малой скорстью до напряжения ниже пре дела текучести [96], вполне эффективный способ повы шения запаса вязкости стали Кв. Так, возможность уве личения от от 165 до 195 кгс/мм2 при неизменных ха рактеристиках относительного удлинения и поперечного сужения является несомненным признаком повышения Кв [96] за счет снижения уровня внутренних напряже ний [см. формулу (4.17)].
Рассмотрим далее краткие рекомендации, позволяю щие осуществлять учет конкретного структурного со стояния и характеристик физики разрушения стали при инженерных расчетах прочности элементов конструкций.
Физическая теория конструкционной прочности, ос новные идеи которой очерчены в настоящей монографии, позволяет утверждать, что для каждого структурного состояния металла можно установить гарантированный уровень безопасного главного растягивающего напря жения независимо от вида напряженного состояния и
216
рассчитываемом элементе конструкции. Это напряжение, соответствующее критерию гриффитсовского распростра нения зародышевой трещины-микросколу, определяет ся в виде характеристики aKP в одноосных испытаниях как напряжение хрупкого отрыва при температуре хруп ко-вязкого перехода ТКр. Каков бы ни был лаборатор ный предел текучести — выше или ниже аКр — глобаль ное разрушение не наступит, если наибольшее нормаль ное напряжение о\ < акР, следовательно, конструкцион ный материал сам по себе обладает некоторой допускае мой величиной нормального напряжения, вытекающей из его реального структурного состояния (размера зер на), но не связанной с его пределом текучести. Важно подчеркнуть, что допускаемое напряжение касается толь ко наибольшего нормального напряжения и не относится к величинам касательных напряжений, которые опреде ляются при этом в соответствии с видом напряженного состояния и в сумме с внутренними напряжениями со вершенно безопасно могут вплотную приближаться к пределу текучести. Из критерия (2.39) следует связь между свойствами материала и предельной допустимой жесткостью напряженного состояния в элементе конст рукции ( Pmin), при наличии которой хрупкое разруше ние не реализуется:
Чем мельче зерно и чем ниже предел текучести, тем больше запас конструкционной надежности материала, т. е. тем более сильную трехосность растяжения может выдержать материал без опасности хрупкого разруше ния. Соотношение (4.28) дает этому выводу количест венную интерпретацию, что очень важно для оценки ситуации у вершины надреза, трещины и других случаев возникновения трехосного растяжения.
Из (4.28) следует оптимальное значение размера зер на d для заданного максимального уровня нормального напряжения в конструкции а ( при любом виде напря женного состояния:
(4.29)
217
Развитая теория позволяет оценить возможность воз никновения хрупкого разрушения в зоне действия неко торых локальных концентраторов напряжений, в част ности вблизи кольцевых выточек определенной геомет рической конфигурации и галтельных переходов.
Опасность хрупкого разрушения в местах неоднород ностей напряжений, вызванных конструктивными пере ходами в изделиях из сталей, особенно актуальна при работе конструкции в низкотемпературных условиях, когда запас вязкости Кв = сгКр/сгт существенно снижа ется в результате увеличения ат (напомним, что а,ф от температуры не зависит). В то же время как болтовые, так и сварные соединения элементов конструкций имеют предпосылки к возможности хрупкого разрушения — локальные концентрации напряжений в условиях локаль ной жесткости напряженного состояния могут повысить напряжение течения до критического значения aKp. Сни жение температуры еще больше усугубляет эту опас ность. Качественно в самом грубом приближении можно сказать, что в большинстве случаев изделие будет за щищено от неожиданности хрупкого разрушения, если при наиболее низкой температуре эксплуатации матери ал будет обладать не менее чем двухкратным запасом вязкости Кв > 2. Отсюда возникает целесообразность введения сдаточных испытаний металла ответственного назначения на определение предела текучести при
наименьшей температуре эксплуатации <4т1п и критиче ского напряжения хрупкого разрушения окр. Это позво
лит знать критический запас вязкости материала К*в = = окр/в{т,п и на его основе рассчитывать допускаемую жесткость напряженного состояния в конструкции: (pmin)> > l/K l Принятые меры позволят повысить надежность
конструкции, сократить объем натурных и макетных ис пытаний в процессе доводки изделия.
Основные выводы физической теории могут быть ис пользованы для формулировки рекомендаций по опти мизации структурного состояния высокопрочных мате риалов, применяемых в сложно-напряженных узлах со временных конструкций.
1. Рациональное измельчение действительного зерна путем легирования и оптимизации режимов скоростной
218
электротермообработки до минимально необходимого уровня ^отп, обеспечивающего заданное значение а£<окр<
2. Согласованное с donт измельчение карбидной фазы
^ОПТ |
р рл |
в соотношении — « |
550 применением закалки и ско- |
си
ростного отпуска конструкционной стали с оптимальным для данной прочности содержанием углерода.
3. Обеспечение заданного значения предела текуче сти (прочности) в стали за счет усовершенствованных технологических схем термической обработки, например скоростной закалки и быстрого отпуска, а не путем увеличения содержания углерода в стали так, чтобы от носительный прирост предела текучести был не больше,
Аот ^ Ad
чем относительное уменьшение размера зерна: — < gj.
4. Оптимальным запасом вязкости обладает конструк ционный материал, у которого критическое напряжение
хрупкого разрушения окр |
не менее чем в два |
раза пре- |
вышает предел текучести, |
0 |
что сбэспе- |
т. е. Кв = —- > 2, |
||
|
°т |
|
чивает пластическую релаксацию в зоне концентраторов напряжений со степенью жесткости напряженного состоя
ния В= — ^ 0 ,5 . °i
5. Эффективным средством повышения окр и, следо вательно, критического значения конструкционной проч
ности Ов, выше которого начинается охрупчивание и увеличенный разброс результатов испытаний (см. рис. 4.3 и 4.4), является создание оптимальной текстурованности стали, достигаемой в результате предварительной пласти ческой деформации в пределах 40—45% (раскатка с по следующим скоростным отжигом).
6. Важный резерв повышения а1ф— увеличение сте пени однородности структуры, и в первую очередь рав номерность зеренной структуры, что достигается приме нением скоростных методов нагрева при термообработ ке [88, 89].
7. Снятие микро- и макронапряжений в термообра ботанных изделиях приобретает первостепенную важ ность для материалов с неоптимизированным размером зерна, являясь в этом случае единственным резервом
219
/
/' повышения конструкционной надежности материала.
Чем мельче размер/зерна и чем выше /Св, тем менее актуальной для обеспечения конструкционной прочности изделия является проблема концентраторов напряжений микро- и макрбнапряжений.
Реализация указанных рекомендаций в ряде случаев может быть уже в настоящее время осуществлена на основе разработанных новых технологических методов термообработки сталей. Среди них наиболее эффектив ным и перспективным в технологии машиностроении безусловно является метод скоростной электротермиче ской обработки (СЭТО), теоретические и технологиче ские основы которого обобщены в монографиях [88, 89J. Успешное освоение СЭТО в технологической практике машиностроения позволит инженеру-технологу получить в свое распоряжение эффективное средство повышения надежности изделий, надежность, основанную на точ ном учете не только механики напряженного состояния конструкции, но и заранее рассчитанного оптимального структурного состояния материала.
4.5. Оценка безопасного размера микротрещин в элементах конструкций методами физики разрушения
Ниже будет показано, что микро- и макротрещины тре буют различных подходов при определении степени их опасности в нагруженной конструкции. Определение ве личины макротрещины, безопасной при данном уровне нагружения, в настоящее время осуществляется метода ми механики разрушения, для чего используется специ альная методика испытания на величину критического коэффициента интенсивности напряжений Kic [13, 14]. Методы определения К\с стандартизированы и включают сложную процедуру испытания на разрыв плоских об разцов с надрезом, заканчивающихся специально наве денной острой усталостной трещиной в условиях плоской деформации. Такая постановка опыта обеспечивает раз рушение образца в самых жестких условиях испытаний, следовательно, полученная характеристика К\с полно стью гарантирует безопасность менее острых трещин в реальных изделиях, где напряженное состояние может быть и не столь жестким. Указанный подход механики
220