ния. Из рис. 3.7, а видно, что повышение предела текучести (при од­ ной и той же температуре ат2 ►> ат1) смещает критическую темпера­ туру хрупкости в область более высоких температур (TKJ)2 £> TKJ) t), т. е. делает сталь более хрупкой. То же самое происходит при пони­ жении характеристики сготр (сготр 2 <? аотр х), например в результате загрязнения стали при выплавке примесями кислорода, серы, фос­ фора (рис. 3.7, б). Если значение Гкр поднимается до 293—303 К,

жить, таким образом, отношение ат/о0тр: чем выше это отношение, тем легче перевести материал в хрупкое состояние. Область приме­ нения такого подхода ограничена, как уже указывалось, хладнолом­ кими металлами. Но к хладноломким относится главный машино­ строительный материал — конструкционная сталь.

3.4. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА ХЛАДНОЛОМКОСТЬ

Изменяя напряженное состояние тела, можно вызвать переход его из пластичного состояния в хрупкое и наоборот. Чтобы понять, как это происходит, условимся в дальнейшем предел текучести вы­ ражать через касательные напряжения; это оправдано тем, что пла­ стическая деформация вызывается касательными напряжениями.

Хрупкое разрушение и пластическая деформация вызываются разными напряжениями: первое — нормальными, второе — каса­ тельными.

Соотношение абсолютных значений нормальных и касательных напряжений при нагружении тела зависит от напряженного состоя­ ния и может меняться. Так, например, при одноосном растяжении ттах = сгх/2 , т. е. касательные напряжения в два раза меньше, чем нормальные. При кручении ттах = ах, т. е. нормальные и касатель­ ные напряжения одинаковы. Меняя напряженное состояние и, сле­ довательно, отношение тmax/olt можно изменять и характер разруше­

до уровня аотр, и в материале возникнет пластическая деформация, в другом случае ог поднимется до уровня сг0тр раньше, чем ттах до­ стигнет тт, и наступит хрупкое разрушение.

Рассмотрим пример с инструментальной сталью, имеющей предел текучести тт = 900 МПа и сопротивление отрыву аотр = 1600 МПа. Когда при одноосном растяжении напряжение ттах достигнет уровня 800 МПа, пластическая деформация еще не начнется (т.г = 900 МПа),

мальные напряжения поднимутся до уровня а = 900 МПа, разруше­ ния не произойдет, так как аотр = 1600 МПа, но начнется пласти­ ческая деформация, так как тт = 900 МПа (ттах = ог).

Введем понятие жесткости напряженного состояния, характе­

пластической деформации и облегчающее хрупкое разрушение от­ рывом. Чем меньше а = тем жестче напряженное состояние, тем больше опасность хрупкого разрушения.

Сказанное позволяет сформулировать условия перехода материа­ лов из одного состояния в другое при любом изменении напряжен­ ного состояния и характеристик прочности материалов. Эти условия

чения тг раньше, чем о1достигнет сгогр. Это неравенство представляет, таким образом, условие пластичного поведения материала.

Второе неравенство показывает, что величина ог достигнет значе­ ния аотр раньше, чем ттах достигнет тт, и является условием хруп­ кого поведения материала. Применение неравенств для анализа поведения названной инструментальной стали подтверждает получен­ ные выше выводы о ее хрупком поведении при растяжении и пла­ стичном при кручении.

Приведенные данные свидетельствуют о том, чторценка прочности при каком-либо одном способе нагружения недостаточна. Необ­ ходимо учитывать поведение материалов при разных, достаточно жестких способах нагружения (a-* min).

Выше рассмотрены крайние случаи хрупкого и пластичного поведения металлов. Возможен, однако, и промежуточный вариант, когда в образце начинается пластическая деформация, но в резуль­

нии, что нарушение прочности определяется величинами ттах и 0+. Более полная характеристика напряженного состояния получится, если заменить на величину аэкв, определяемую по второй гипотезе прочности. Тогда при крученииттах= 0 ,8 а эив. Однако в целях наглядности оставляем здесь и далее а = Тщах/а*.

нет уровня Стотр Уже в процессе пластического деформирования. Хрупкое разрушение в этом случае произойдет после протекания некоторой пластической деформации.

Оценки, получаемые с помощью приведенных выше неравенств, можно получить графически по схеме Фридмана (рис. 3.8). По оси абсцисс отложены нормальные напряжения o1( по оси ординат — максимальные касательные напряжения ттах. Прямые (лучи) 1—3, исходящие из начала координат, характеризуют жесткость напря­ женного состояния (ТпихЛтх) образцов. Чтобы прогнозировать пове­ дение материала под нагрузкой, нужно нанести на схему прямые,

Р и с . 3 . 8 Р и с . 3 . 9

выражающие прочность материала, т. е. предел текучести тт и со­ противление отрыву аотр (штриховые линии на рис. 3.8). Пересече­ ние лучей, характеризующих жесткость напряженного состояния, с одной из прямых, выражающих прочностные свойства, дает пред­ ставление о характере нарушения прочности.

В схеме Иоффе (см. рис. 3.5) и схеме Фридмана (рис. 3.8) характе­ ристика сопротивления отрыву показывает предельную способность материала оказывать сопротивление хрупкому разрушению под дей­ ствием наибольших нормальных напряжений, но не отражает кине­ тики и механизма самого разрушения. В гл. 2 показано, что разру­ шение совершается не путем одновременного преодоления прочности всех межатомных связей, а путем образования и распространения трещин. Там же говорилось, что образование трещин в хрупких материалах вызывается пластическими сдвигами, т. е. действием касательных напряжений. Чтобы учесть роль касательных напря­ жений в образовании трещин, Н. Н. Давиденков несколько изменил схему Фридмана, отложив по оси абсцисс касательное напряжение тк (рис. 3.9), необходимое для зарождения трещины (ть < тг) [22]. Теперь разрушение хрупкого материала будет определяться двумя условиями: достижением напряжения тк, при котором образуется трещина, и напряжения аотр, которое вызовет ее распространение. Для разрушения необходимо выполнение обоих условий. Простран­ ство между лучами ОС и OF и есть область хрупкого состояния, в ко­ торой оба условия выполняются автоматически.

Рассмотрим область левее луча ОС. В этой области реализуется состояние, когда нормальное напряжение, необходимое для распро*

странения трещин, уже имеется, а касательное напряжение, нужное для образования трещины, еще недостаточно.

Если напряженное состояние отвечает лучу 0G, то при дальней­ шем росте напряжение в конце концов достигнет значения тк, после чего произойдет полное разрушение. В этом случае разрушение будут лимитировать не нормальные, а касательные напряжения.

Если луч пойдет еще более круто (луч ОМ), разрушение произой­ дет только от нормальных напряжений вследствие достижения в ка­ кой-либо точке, ослабленной дефектами, уровня теоретической проч­ ности, без участия пластических сдвигов.

Приведенная схема хорошо объясняет некоторые факты. Образцы из стали марки 1Х25Ю5 и вольфрама испытывались при низких температурах, при которых в процессе испытания образцов на изгиб и кручение происходило хрупкое разрушение. Результаты приве­

Из табл. 3.1 видно, что разрушение образцов из стали 1Х25Ю5 как при изгибе, так и при кручении происходит при почти постоян­ ных значениях ттах, в то время как отношение атах/ттах при обоих видах испытания различается почти в два раза. Образцы вольфрама при разрушении в процессе изгиба и кручения имеют постоянное напряжение ошах, в то время как величина ттах изменяется почти в два раза.

Поведение стали и вольфрама определяется тем, какая стадия хрупкого разрушения — образование трещины или ее распростра­ нение — является более трудной. В стали более трудной, т. е. лими­ тирующей процесс разрушения, является стадия образования тре­ щины. В вольфраме лимитирующей стадией является распространение трещины. Когда трещины имеются в металле до начала деформации, остается одно условие разрушения — необходимость достижения величины аотр.

ЮЗ