Способствовать переходу в хрупкое состояние может и надрез, который меняет напряженное состояние в ослабленном сечении: а) у вершины надреза в растягиваемом образце возникает концен­ трация напряжений; б) в глубь надрезанного сечения напряженное состояние усложняется и становится двухосным и трехосным (при кольцевом надрезе).

Рассмотрим более подробно влияние кольцевого надреза на на­ пряженное состояние и прочность при осевом растяжении цилиндри­ ческого образца. Из рис. 2.3, а видно, что кроме осевого напряжения аг возникнет кольцевое напряжение а2. Так как сужению сечения в этом месте выточки препятствует менее напряженная утолщенная

напряжение сг3, равное на поверхности нулю, которое стремится рас­ тянуть сечение от оси образца к периферии по радиусу. Если в ненадрезанной части образца ттах = ах/2 , то в ослабленном сечении в пло­

Увеличение жесткости напряженного состояния способствует переходу материала в хрупкое состояние.

Рассмотрим материал, в котором *т/аотр = 0,4. При растяжении гладкого образца он будет вести себя пластично, так как тшаJOi =

=0,5 > тт/о0тр = 0,4.

Внадрезанном сечении, если Oj = 2ст3, получим:

Tmax/^l — 0,25 <CIТт/(Г0Тр == 0,4.

Следовательно, надрезанный образец из выбранного материала должен при растяжении разрушаться хрупко.

Приведенный пример свидетельствует, таким образом, о переходе материала образца под влиянием надреза из пластичного состояния в хрупкое.

З.б. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ К НАДРЕЗУ И ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА КРИТИЧЕСКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ ХРУПКОСТИ

Чувствительность материалов к надрезу является важной харак­ теристикой их работоспособности.

Разные материалы обладают разной чувствительностью к кон­ центраторам напряжений. Зависит это от многих факторов, в том числе от пластичности материалов и от соотношения характеристик

Тт/Оотр-

Чувствительность к надрезу с повышением прочности материалов увеличивается. Это объясняется увеличением отношения тт/о 0тр» так как с увеличением прочности величина тт растет, а а0Тр меняется обычно мало или совсем не меняется. Таким образом, появляется

опасность, что G повышением прочности отношение характеристик станет удовлетворять неравенству тх/а отр> ттах /a if которое харак­ теризует хрупкое состояние материала. В этом случае эффект повы­ шения прочности материала может стать и отрицательным, как видно из рис. 3.10, т. е. начиная с некоторого уровня прочности гладких

из пластичного состояния в хрупкое применим для хладноломких металлов, а следовательно, и для конструкционных и строительных сталей, для которых аотр — реальная величина. Влияние ряда фак­ торов на переход материалов из пластичного состояния в хрупкое можно оценить через влияние их на хладноломкость, т. е. на крити­ ческую температуру хрупкости 7кр.

Переход от результатов испытаний образцов к оценкам поведения деталей требует определения смещений критической температуры хрупкости под действием конструктивных и технологических факто­ ров [106, 53]. Рассмотрим некоторые данные, относящиеся к этой задаче.

По результатам испытаний большого числа образцов, изготовлен­ ных из сталей разных марок, была установлена прямолинейная

А и К — постоянные материала (при одинаковых размерах образцов и неизменном способе нагружения).

В работе [115], где также исследовалось влияние концентраторов напряжений на образцах, была установлена прямолинейная зависи­

где р — радиус надреза; а — высота сечения в призматическом образце под над­ резом; А± и С — константы материала (для геометрически подобных образцов при одинаковых способах нагружения).

На рис. 3.12 показано совместное влияние скорости деформации v и концентратора напряжений (радиуса надреза р) на критическую

дефектов. Вторая заключается в том, что, как обнаружено, запас по­ тенциальной энергии в системе «образец — испытательная машина» также оказывает влияние на уровень 7кр при статических испытаниях [117]. Подробно механизм этого влияния рассмотрим в гл. 6 . Здесь же заметим лишь, что упругая энергия, запасаемая в образце при его деформации, растет пропорционально кубу поперечного размера, а площадь поперечного сечения образца, по которой распространяется трещина при разрушении, пропорциональна квадрату линейного размера. Поэтому количество выделяющейся энергии, приходящейся на 1 см2 площади растущей трещины в момент разрушения, будет рас­ ти с увеличением размера образцов. Это может привести к тому, что зародившаяся трещина, образующаяся при медленной деформации, будет началом почти мгновенного разрушения образца по всему сечению.

В работе [53 ] на ряде конструкционных сталей изучалось смеще­ ние Тир при переходе от образцов к деталям под влиянием конструк­ тивных и технологических факторов.1

1 В р а б о т е [ 1 1 0 ] — р а з м е р р е б р а к в а д р а т н о г о п о п е р е ч н о г о с е ч е н и я н а д р е з а н н о г о у д а р н о г б о б р а з ц а .

Все проведенные работы дают средства для прогнозирования кри­ тической температуры хрупкости деталей. Разрушение несущих элементов конструкций часто вызывается переходом материалов в условиях эксплуатации из пластичного состояния в хрупкое. По­ этому необходима количественная оценка вероятности такого пере­ хода.

Выше рассмотрены два критерия, пригодных в принципе для ука­ занной оценки хладноломких материалов: это неравенства (3.1) и (3.2) и критическая температура хрупкости. Использование нера­ венств (3.1) и (3.2) для качественного анализа влияния различных факторов на переход материалов в хрупкое состояние оказалось весьма эффективным. Возможность количественной оценки, однако,

где Т0 — температура детали.

Если при использовании формулы (3.6) учитывать количественную оценку смещения Тьр под влиянием конструктивных и технологи­ ческих факторов, параметр г) становится качественным критерием не только температурного, но и общего запаса вязкости в элементах конструкции.

Щ Таким образом, параметр т] может явиться средством универсаль­ ной оценки применимости материала в конструкциях. Надо при этом не забывать об ограничениях: формула (3.6) применима только для хладноломких металлов; кроме того, ее нельзя использовать при дей­ ствии коррозионных сред (см. гл. 4 ).

3.6. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ПЕРЕХОД МЕТАЛЛОВ В ХРУПКОЕ СОСТОЯНИЕ

Влияние размера зерна. Предел текучести и сопротивление от­ рыву — структурно чувствительные характеристики сплавов. Наи­ более сильно структура сплавов влияет на их сопротивление отрыву, от которого зависит переход материалов в хрупкое состояние. Рас­ смотрим несколько примеров.

Как показывает опыт, сопротивление отрыву сильно зависит от размера зерна хладноломких металлов.

На рис. 3.13 показана зависимость сопротивления отрыву аотр от размера зерна d в железе. Испытания образцов при 77 К обеспе­ чили их хрупкое разрушение. Полученные разрушающие напряже­ ния без больших ошибок принимались за характеристику сопротив­ ления отрыву железа при комнатной температуре. Полученная зави­ симость хорошо описывается соотношением

что находится в полном соответствии с теорией.

Забегая несколько вперед, можно указать, что прочность хрупкого тела, имеющего трещину размером /, согласно А. А. Гриффитсу, может быть оценена формулой

где А — размерный коэффициент.

Трещина, возникшая в пределах одного зерна, легко распростра­ няется по кристаллографической плоскости, особенно если это

К такому же результату приводит применение рассмотренных выше законов микромеханики. Внешняя деформирующая нагрузка, вызывающая образование трещины, тем меньше, чем больше дисло­ каций в скоплениях, заторможенных перед границей зерна; кон­ центрация напряжений в голове скопления составляет а/гт (где а — коэффициент; п — число дислокаций; т — касательное напряжение от внешней силы, действующей на первую дислокацию); число дис-

Локаций в указанном скоплении тем больше, чем больше диаметр

где а0 — напряжение, противодействующее перемещению подвижных дислокаций из-за трения на кристаллографических плоскостях; k — постоянная металла и уелов11й деформ и рова 11и я.

Прямые, построенные по уравнению (3.10) в координатах d—1/2, аотр, хорошо совпадают с результатами экспериментов.

Следует заметить, что аналогичное по виду соотношение

описывает зависимость предела текучести от размера зерна. Такое совпадение формул (3.10) и (3.11) нужно считать следствием того, что одно и то же давление скопления дислокаций на границу опре­ деляет образование трещины и передачу скольжения через границу.

Величина а0 в формулах (3.10) и (3.11) имеет одинаковые смысл и значение.

Вытекающее из формул (3.10) и (3.11) утверждение, что сопро­ тивление железа отрыву сильно зависит от размера кристалличе­ ских зерен, справедливо только тогда, когда разрушение происхо­ дит по телу зерна. При разрушениях, происходящих по границам зерен, прочность будет определяться не непосредственно размером зерен, а числом и размером повреждений на границах.

Межзеренная хрупкость. Металлические материалы характери­ зуются концентрационной неоднородностью распределения при­ месей, которая в состоянии равновесия подчиняется законам термо­ динамики.

Границы зерен представляют собой область кристаллической решетки с меньшей плотностью и повышенной свободной энергией.

Свободная энергия F, в отличие от связанной, может произво­ дить работу в изотермических условиях, в то время как связанная энергия TS (Т — абсолютная температура; 5 — энтропия системы) в таких условиях бесполезна, так как существует в сплаве в виде кинетической энергии беспорядочного движения атомов и потен­ циальной энергии их взаимного положения.

Баланс энергии определяется соотношением F = U — TS, где f/ — полная энергия системы; 5 — энтропия, связанная с вероятностью состояния системы W законом S = k lg W

При стремлении системы к равновесию, например за счет приб­ лижения системы к структурной и концентрационной однородно­ сти, вероятность состояния W увеличивается, растет связанная энергия TS, свободная энергия при этом уменьшается. Именно в этом направлении и возможны самопроизвольные процессы.

Однако тот факт, что процесс является термодинамически воз­ можным, еще не указывает на его непременное осуществление. Для начала процесса необходимо его активирование за счет дополни­ тельной кинетической энергии, выделяемой под воздействием хими­ ческих, температурных и механических факторов. Одним из воз­

можных самопроизвольных процессов, осуществляющихся на прак­ тике, является обогащение границ зерен примесями, понижающими свободную энергию границ.

В определении характера действия примесей большую роль играет объемный фактор: малорастворимые примеси с большим размером атомов стремятся перейти в области с меньшей плотно­ стью, т. е. на границы.

Примеси, хотя их содержание и невелико, располагаясь преиму­

На рис. 3.14 показано резкое снижение сопротивления отрыву сготр чистого железа под действием малых добавок кислорода 0 2, попа­ дающих в металл обычно при плавке.

Такое же охрупчивающее действие оказывает ничтожное коли­ чество примесей сурьмы на медь, охлажденную в печи от 600 °С. Разрушения образцов меди в состоянии хрупкости имеют межзеренный характер.

Одним из способов предотвращения межзеренной хрупкости служит применение других, «полезных» примесей, также в малых количествах. Механизм действия «полезных» примесей заключается в том, что они образуют с «вредными» интерметаллические соеди­ нения или способствуют возникновению связей, которые удержи­ вают «вредные» примеси в объеме зерен, не допуская их на гра­ ницы.

Например, углерод нейтрализует охрупчивающее действие кис­ лорода. На рис. 3.15 показано влияние кислорода на ударную вяз­ кость KCU железа, содержащего около 0,001 % С (кривая 1) и более 0,002 % С (кривая 2). При содержании углерода менее 0,002 % кислород в количестве 0,02 % катастрофически снижает ударную вязкость образцов: со 170 до 30 МПа. Содержание углерода в коли­ честве более 0,0 0 2 % оказалось достаточным, чтобы нейтрализо­ вать отрицательное влияние кислорода при увеличении его содер­ жания до 0,13 %.

ПО

Такое же действие оказывает фосфор, который нейтрализует действие сурьмы на медь, препятствуя ее ликвации по границам зерен.

Пограничные поверхностные явления, связанные с концентра­ ционным перераспределением примесей, оказывают огромное влия­ ние на формирование реальной прочности твердых тел. Примером такого влияния может быть одна из распространенных причин пере­ хода конструкционных сталей в хрупкое состояние — явление обра­ тимой отпускной хрупкости.

Для термообработки легированных конструкционных сталей

винтервале температур 623—873 К Кси,Дж/смг

жение сопротивления отрыву в сочленениях зерен. Структурное состояние, вызывающее отпускную хрупкость, возникает в резуль­ тате образования концентрационной неоднородности между телом и границами зерен. Возникновение такой неоднородности оказы­ вается возможным при медленном прохождении температурной области 623—873 К в процессе охлаждения стали от температуры отпуска.

3.7, ФРАКТОГРАФИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ

ИХРУПКИХ ИЗЛОМОВ ОБРАЗЦОВ

Врезультате развития современных методов исследования (та­ ких, например, как просвечивающая, растровая и сканирующая электронная микроскопия) достигнут успех в изучении фрактографичсских особенностей изломов.

Излом отражает механические процессы, прежде всего в заклю­ чительной стадии жизни деформируемых образцов, характеризует сопротивляемость материалов распространению в них магистраль­ ной трещины, а в ряде случаев дает представление о предшество­ вавших разрушению механизмах накопления дефектов. Рассмотрим

некоторые из наиболее часто встречающихся изломов.

Ill

1. Скол. Излом, получающийся при хрупком разрушении хлад­ ноломких металлов при Т << Тк1)} назван сколом. Сколы были об­ наружены при хрупких разрушениях таких крупных сооружений, как, например, мостовые конструкции.

Основная особенность разрушения сколом — это связь ориен­ тации плоскостей, по которым распространяются трещины, с ориен­ тацией кристаллогеометрической структуры кристаллической ре­ шетки. Так, в железе скол проходит вдоль плоскости (100), а также

нения трещины по которой будет наименьшей. На основании фор­ мулы (2.41) эта сила будет определяться константами: модулем упругости Е в направлении по нормали к плоскости и поверхност­ ной энергией 5 П. Руководствуясь значениями этих констант, можно считать, что сколы будут происходить по плоскостям, обладающим минимальной упругой жесткостью в нормальном к ним направле­ нии и максимально удаленным от других плоскостей; кроме того, плоскости скола характеризуются минимальным расстоянием, на котором силы межатомного притяжения между плоскостями ис­ чезают.

В работе [3] показано, что плоскости скола в большинстве прак­ тически получаемых изломов различных металлов удовлетворяют указанным критериям.

Плоскости скола в поликристаллических образцах характери­ зуются структурными особенностями: ступеньками, рисунками типа речного узора и др., которые возникают от сливающихся в единый поток отдельных микротрещин, зарождающихся на параллельных площадках. Отдельные особенности рельефа могут быть связаны с некоторой пластической деформацией в локальных областях при переходе трещин с одной площадки на другую.

Сколам подвержены такие металлы, как железо, вольфрам, молибден, хром, цинк, бериллий, магний, т. е. металлы с решетками

здесь плоскости разрушения не связаны ориентационным соответ­ ствием с кристаллогеометрическим строением металлов. Квазискол несет следы пластической деформации, степень которой в локаль­

1 Механическое двойникование — это скольжение (на микроскопическом уча­ стке кристаллической решетки), которое осуществляется с соблюдением определен­ ных крпсталлогеометрических соотношений. Смещение атомов при двойниковании распространяется только на часть межатомного расстояния. На границах двойников имеет место когерентная связь, т. е. связь без нарушения кристаллогеометрических ориентаций между атомами окружающей среды и двойника. Двойникование не приводит к заметной пластической деформации.

ных областях пытаются в некоторых работах оценивать по высоте гребней фасеток квазискола.

В п. 2.5 рассмотрены некоторые дислокационные механизмы образования трещин. Эти механизмы и приводят к образованию ква­ зискола К разрушениям квазисколом склонны многие закаленные

инизкоотпущенные стали.

3.Чашечный {ямочный) излом [91. Ямочный излом характери­ зуется разрушением путем разрастания микропустот, в изломе образуются углубления в виде ямок, соединенных перемычками. Разрушение сопровождается макропластической деформацией, пока идет разрастание и слияние смежных пустот, а с определенного момента времени — локальной деформацией перемычек между пу­ стотами вплоть до их разрыва.

Для понимания механизма этого вида разрушения отметим, что интенсивность процесса образования и разрастания пор при пласти­ ческой деформации связана с напряженным состоянием деформи­ руемого тела: образование и рост пор интенсифицируются при кон­ центрации напряжения растяжения, а также при изменении напря­ женного состояния в направлении возрастания относительной вели­ чины шарового тензора напряжений растяжения [1511.

Сказанное объясняет, почему впереди растущей в зоне концен­ трации напряжений вязкой трещины наблюдается интенсивное образование пор. Удалось установить, что микронадрывы в растя­ гиваемом образце в первую очередь возникают вокруг частиц избы­ точной фазы, являющихся концентраторами напряжения. По мере развития пластической деформации микронадрывы растут, что уменьшает живое сечение деформируемого образца и, в свою оче­ редь, увеличивает эффективное напряжение вокруг более мелких частиц избыточной фазы.

В результате в изломе обнаруживается рельеф, состоящий из

производить качественную оценку локальной части пластической деформации, пользуясь тем, что деформация перемычек пропор­ циональна глубине ямок [761.

Относительно широкие перемычки и наличие на них кри­ сталлических фасеток свидетельствуют о малой пластичности образца.

Ямочный излом очень распространен и наблюдается как при однократном, так и при длительном статическом нагружении разру­ шаемых образцов, а также на определенных стадиях усталостного

ный разрыв.

4. Расслоение. Пластическое разрушение путем расслоения ме­

стям скольжения в процессе пластической деформации. Ш. Крюссар назвал такое разрушение вязким сколом.

Механизм разрушения расслоением был раскрыт значительно позднее, на базе глубокого изучения эволюции дислокационной структуры в процессе больших пластических деформаций. В общих чертах эволюция дислокационной структуры пластичных металлов с решетками ОЦК и ГЦК на начальных этапах характеризуется ростом плотности дислокаций и переходом от равномерного их рас­ пределения к дислокационным сплетениям разной формы и природы и к скоплениям в виде стенок, сеток и полос. Когда средняя плот­ ность дислокаций достигнет предельного уровня насыщения, в про­ цессе дальнейшего деформирования наступает ориентационная не­ устойчивость кристаллов, приводящая к их фрагментации. Этому способствует рост неравномерности пластической деформации: пла­ стические сдвиги во многих местах оказываются заторможенными. Возникающие в этих условиях градиенты упругих деформаций ведут к образованию локальных моментных сил.

Типичным для фрагментированных структур является раздроб­ ление зерен в металлах с решетками ОЦК и ГЦК на практически совершенные кристаллические области размером в десятые доли микрометра, разориентированные друг относительно друга на угол, который может достигать нескольких градусов [15]. Дальнейшее деформирование фрагментированных кристаллов ведет к увели­ чению их относительных разворотов и увеличению общей площади дислокационных границ.

Начальные трещины образуются на большеугольных границах (БУГ), возникающих в результате большой разориентировки со­ седних субзерен (0,045л; — 0,055л;) [55]. От этих трещин начинается

в местах начавшегося расслоения трещины часто не могут объеди­

их многообразия, вызванного характерными причинами и различ­ ными механизмами разрушения. Можно назвать, например, широ­ кий класс межзеренных разрушений, которые возникают в корро­ зионной среде (коррозия под напряжением) или в результате пол­ зучести при высоких температурах и низких напряжениях; некото­ рые виды усталостных разрушений; разнообразные виды разруше­ ний, вызываемых дефектами металла или нарушениями технологии его изготовления. К числу наиболее известных изломов можно отнести камневидный излом, получаемый в результате перегрева металла, и излом, пораженный флокенами, имеющими метал­ лургическую природу, и т. д.