книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

последней работе была сделана попытка объяснения этого эф­ фекта с помощью схемы Иоффе, но она не может быть признана удовлетворительной, так как страдает теми же недостатками, что и сама схема Иоффе.

Нам кажется, что удовлетворительное объяснение зависи­ мости критической температуры хладноломкости от вида напря­ женного состояния может быть построено, исходя из позиций схемы, учитывающей роль нормальных и касательных напря­ жений в процессе хрупкого разрушения [11]. Обратимся к рис. 3, на котором изображена эта схема. Как мы видели ранее, для образования и распространения хрупкой трещины необходимо выполнение двух условий, которые могут быть записаны следую­ щим образом:

I) Хт а х > 2) С Г щ а (2)

Однако мы молчаливо допускали, что при этом выполняется и третье основное условие, а именно тта1< т 5 (ттах — максималь­ ное касательное напряжение, приложенное к образцу в момент его разрушения, а — макроскопический предел текучести об­ разца при температуре испытания).

Тот факт, что сопротивление сколу <ттах (а следовательно, и Ттах) не зависит от температуры [12] или незначительно повыша­ ется с ее понижением [13 ], вместе с третьим условием позволяет нам при наличии температурной зависимости предела текучести материала разграничить область температур, где образец будет разрушаться сколом от области вязкого разрушения. Очевидно, что точка, разделяющая эти две области температур, и опреде­ лит критическую температуру хладноломкости материала.

На рис. 4, а проведено графическое определение критической температуры хладноломкости. Как видно из этого рисунка (подра­ зумевается, что схема построена для конкретного материала), критическая температура при переходе от изгиба к кручению должна понижаться.

Можно показать, что в зависимости от физических свойств материала сама схема может иметь тот или иной вид. Действи­ тельно, если выполняется условие

т. е. первая стадия разрушения является более легкой, чем вто­ рая, или вообще отсутствует (образец еще до нагружения содер­ жит трещины), то как при кручении, так и при изгибе образцы

Рис. 4. К методике определения критической температуры хладноломкости с помощью схемы хрупкого разрушения.

ратуры для изгиба и кручения показаны на рис. 4, в. Из рисун­ ка видно, что в этом случае критическая температура также должна зависеть от вида напряженного состояния.

Для случая, когда от < тк, т. е. наиболее трудной стадией

разрушения является первая, вид схемы изображен на рис. 4, б. Таким образом, критическая температура хладноломкости для такого материала не будет зависеть от того, как разрушается об­ разец — кручением или изгибом.

Таким образом, в зависимости от конкретных свойств иссле­ дуемого материала, критическая температура хладноломкости может как зависеть, так и не зависеть от вида напряженного со­ стояния.

влияние на хладноломкость металлов весьма сложным образом. Во-первых, надрез создает объемность напряженного состояния, которая меняется от двустороннего растяжения в корне надре­ за до всестороннего растяжения в центре образца. Это приводит к тому, что среднее действующее максимальное касательное нап­ ряжение в точках по сечению-надреза оказывается пониженным Во-вторых, надрез является концентратором как нормальных, так и касательных напряжений. (Отметим, что касательное нап­ ряжение в области, непосредственно прилегающей к корню над-

реза, будет выше опти­ мального в к раз, где к — коэффициент концентра­ ции.) В-третьих, надрез обусловливает действие масштабного эффекта, так как уменьшает объем воз­ можного разрушения. И в-четвертых, надрез увели­ чивает скорость деформи­ рования по сравнению с гладким образцом. Так, если гладкий сбразец с ра­ бочей длиной I деформи­ руется со скоростью е, го скорость деформирования волокон надреза радиуса р будет увеличена в / к/р раз, если скорость пере­ движения захватов машины останется той же, что идля гладкого образца.

Чтобы определить, ка­ ким образом надрез будет влиять на сопротивление

дящий к образованию трещины. На эту характеристику надрез будет влиять двояким образом, а именно, действие масштабного

висеть от того, содержит образец надрез или нет. Это следует из формулы (1), в которую входят только константы материала Е, р и размер зерна й. Таким образом, можно считать, что вве-

дение надреза в образец увеличивает тЛ, уменьшает тк и не влияет на <тг

На рис. 5 изображена схема Давиденкова для гладкого об­ разца (сплошные линии) и для образца с надрезом (штриховые линии), проведено определение критической температуры хлад­ ноломкости. Из рисунка следует, что введение надреза должно привести к понижению сопротивления сколу и повышению кри­

тельно продеформированных при повышенной температуре. Дейст­ вительно, сообщение образцу деформации при повышенной темпе­ ратуре, с одной стороны, упрочняет материал и, следовательно, при последующем его нагружении первые сдвиги, могущие при­ вести к образованию трещины, появятся при более высоком напряжении, т. е. такая предварительная деформация приводит к искусственному повышению «сдвигового порога». С другой сто­ роны, предварительная деформация означает введение в образец многочисленных полос скольжения, которые, как известно 18], затрудняют распространение трещин и тем самым поднимают

изгибом. Нетрудно показать, что в этой части (между плечами 3) отношение максимального растягивающего напряжения а та!С

к максимальному касательному напряжению ттах сохраняется постоянным в процессе испытания и оказывается равным

Р/2

Рис. 6. Принципиальная схема устройства для разрушения образцов при раз*

личных видах напряженного состояния.

По мере изменения а изменяется и угол <р между площадкой, по которой действуют нормальные напряжения, и площадкой, пер­ пендикулярной к оси образца, так что

чает возможность перекосов, которые, как известно, недопусти­ мы при испытании в области хрупких разрушений. Установка черезвычайно проста и позволяет проводить исследования в ох­ лаждающих средах, для чего она монтируется в специальной ванне.

0,025). Из стали и вольфрама были изготовлены цилиндричес­ кие образцы на изгиб и кручение, а из молибдена — специаль­ ные образцы на изгиб с кручением. Все образцы после изготов­ ления отжигались в вакууме. Образцы из стали были получены в крупнозернистом и мелкозернистом состояниях с размером зе­

бе (чистом). Для определения сопротивления сколу использо­ вались результаты испытаний 8— 11 образцов. Среднее отклоне­ ние от среднего значения находилось в пределах 5—8% , а наи­ большее отклонение от среднего; не превышало 15%.

Р е з у л ь т а т ы и и х о б с у ж д е н и е . На рис. 7 показаны фотографии молибденовых образцов, разрушенных при различных напряженных состояниях. Из этого рисунка вид­ но, что по мере уменьшения а от 1,68 до 1,08, угол между по­ верхностью разрушения и осью образца постепенно приближает­

напряжений в процессе хрупкого разрушения. Действительно, во-первых, мы видим, что сопротивление сколу зависит от вида напряженного состояния, указывая на то, что в процессе хруп­ кого разрушения значительную роль играют касательные нап­ ряжения, и, во-вторых, характер зависимости напряжений ско-

Результаты испытания образцов из стали марки 1Х25Ю5 и вольфрама на изгиб и кручение

вольно разрушаться при понижении температуры. Во втором случае опасными являлись бы только темпы охлаждения, и борь­ ба с ними не была бы безрезультатной.

Известно, что надрезанные образцы ведут себя при пониже­ нии температуры отлично от гладких; именно, номинальная прочность их при переходе в хрупкое состояние начинает падать. Это легко объясняется, как мы уже видели, тем, что надрез по­ нижает величину «порогового» касательного напряжения и тем самым понижает сопротивление сколу. Возникла мысль, не при­ ложимо ли такое же объяснение и к поведению стали, где роль надрезов могут выполнять выходящие на поверхность границы зерен или какие-либо внутренние концентраторы напряжений, являющиеся следствием неоднородности структуры стали. Для проверки этой гипотезы достаточно было сначала нагрузить образцы при комнатной температуре, немного не доводя их до номинального предела текучести, и этим смягчить концентра­ ционный эффект, а затем охладить их и разрушить. Такие опы­ ты были проведены с крупнозернистыми образцами стали на кручение. Образцы при 20° С были нагружены до 36 кгс1мм% (при пределе текучести 40 кгс/мм2) и сломаны после охлаждения до — 196° С. Испытанные шесть образцов разрушились при 54

кгс/мм2 (среднее из шести), т. е. в пределах точности опыта по­ вторили среднее значение 52 кгс/мм2, полученное ранее при—78° С. Интересно отметить, что при этом получился заметно меньший разброс отдельных значений прочности; крайние значения от­ личались всего на 3 кгс/мм2 вместо 6 кгс/мм2 в предыдущих опы­ тах. Такие же результаты были получены и в том случае, когда образцы после предварительного нагружения были разгружены до охлаждения.

Следовательно, версия о самопроизвольном падении проч­ ности в данном случае отпадает, оправдывая, по-видимому, наше предположение об участии в процессе разрушения стали скры­ тых концентраторов напряжений. Если в роли последних выступают границы зерен, то становитоя понятным и большее снижение прочности крупнозернистых образцов (30%) по срав­ нению с мелкозернистыми (12%). Надо полагать, что и при бо­ лее явном присутствии концентраторов напряжений в виде ис­ кусственных надрезов получится тот же эффект.

Результаты испытаний вольфрамовых образцов показаны в табл. 2. Как видно из таблицы, в этом случае, независимо от вида напряженного состояния, при разрушении постоянную ве­

в этом случае наиболее трудной стадией разрушения является процесс распространения трещины. Второй особенностью раз­ рушения вольфрама, как видно из таблицы, является то, что его сопротивление сколу не зависит от температуры в интервале 4-20° — 196° С.

Итак, результаты, полученные при разрушении молибдена, стали и вольфрама, могут быть объяснены, исходя из единых по­ зиций схемы, учитывающей роль нормальных й касательных на­ пряжений в процессе хрупкого разрушения.

Влияние вида напряженного состояния на критическую температуру хлодноломкости

В соответствие с ранее изложенными теоретическими пред­ посылками для определения критической температуры хладно­ ломкости необходимо, во-первых, знать температурную зависи­ мость предела текучести этого материала и, во-вторых, макси­ мальные касательное и нормальное напряжения, при которых образец разрушается сколом. Так как предел текучести с доста­ точной точностью (по так называемой третьей гипотезе проч­