книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

тупления надреза, тем эффективнее его влияние. Значительное влияние оказывают характеристики прочности материала: чем выше пределы текучести и прочности при низких температурах и сопротивляемость ползучести и релаксационная стойкость при высоких температурах, тем больше снижается пластичность в ус­ ловиях действия надреза [7, 9]. В области высоких температур деформационная способность металла, определяемая на образцах с надрезом, резко понижается при появлении межзеренного раз­ рушения [103, с. 67, 93, 104]. По данным Броуна и др. [103, с. 25], приведенным в табл. 10, при внутризеренном разрушении (испы­ тания длительностью до 10 ч при 482—538° С) кольцевой надрез на образцах из хромомолибденовой стали вызывал уменьшение по­ перечного сужения в 5—6 раз. Появление межзеренного разру­ шения снижает пластичность в несколько десятков раз (испыта­ ния с временем до разрушения 100— 1000 ч).

Аналогичное действие оказывает надрез и на свойства аусте­ нитной стали (табл. 10). В результате действия концентратора деформация, предшествующая разрушению, в некоторых случаях составляет примерно один процент, а иногда и доли процента. Приведенные в табл. 10 данные характеризуют среднюю величину пластической деформации для надрезанного сечения. Концентра­ торы увеличивают также неравномерность пластической деформа­ ции. У дна кольцевого надреза имеется зона, в которой деформа­ ция намного выше средней [104]. По мере увеличения склонности материала к хрупким разрушениям величина как общей, так и ме­ стной деформации снижается [26, 105]. Неравномерность пласти­ ческой деформации усиливает неоднородность напряженного со­ стояния в металле. Так, пластическая деформация в месте надреза или у дефекта увеличивает жесткость напряженного состояния в надрезанном сечении или у конца трещины [2, 5, 12].

Оценке чувствительности к кольцевому надрезу по длитель­ ной прочности различных жаропрочных материалов посвящено много работ [14, 103, с. 6, 25, 49, 106, 107]. Установлено, что влияние надреза проявляется в определенном температурном ин­ тервале [67, 103, с. 6]; при более низких или более высоких температурах чувствительность к кольцевому надрезу пропадает [см. табл. 10]. Некоторые исследователи пришли к заключению, что надрез влияет только в том случае, если при испытаниях на гладких образцах пластичность материала резко снижается [108]. Так, при относительном удлинении выше 2—5% чувствительности к надрезу не наблюдалось [103, с. 6, 108]. Поскольку пластиче­ ская деформация, предшествующая разрушению металла в зоне надреза, в десять и более раз меньше, чем у образца без надреза, то уровень деформационной способности материала с низкой пла­ стичностью уменьшается до величин, близких к пластической де­ формации, протекающей при релаксации местных пиков напря­ жений, порожденных кольцевым надрезом. Такое заключение

72

подтверждается данными, приведенными в табл. 10. Чувстви­ тельность к надрезу менее единицы соответствует резкому сниже­ нию поперечного сужения и в случае гладких образцов.

Аналогично изменению пластических свойств стали при дли­ тельном разрыве изменяется и чувствительность ее к надрезу в за­ висимости от времени до разрушения. В определенном темпера­ турном интервале чувствительность к надрезу проявляется тем резче, чем больше время до разрушения [103, с. 25]. В первом приближении эти изменения могут быть описаны серией кривых, аналогичных получаемым для изменения относительного удлине­ ния. Интервал температур, при которых наблюдается понижение прочности из-за надреза, обычно совпадает с температурным ин­ тервалом снижения деформационной способности при испытаниях гладких образцов.

Изменения параметров надреза — уменьшение радиуса за­ кругления и увеличение его глубины — усиливают чувствитель­ ность к надрезу, особенно при низких температурах [103, с. 93].

Рассматривая вопрос о том, в какой мере чувствительность к надрезу, определенная по данным испытаний образцов с коль­ цевым. надрезом, характеризует служебные свойства материала, необходимо отметить следующее. Возникающее при растяжении стержня с кольцевым надрезом объемное напряженное состояние в зоне выточки — трехосное растяжение — повышает предел уп­ ругого сопротивления металла в данном объеме [1—3, 5, 6, 100]. В результате при растяжении образца такой формы скорость пла­ стической деформации металла в сечении с надрезом оказывается значительно ниже, чем в образце без надреза, испытываемом при том же среднем напряжении. В то же время неизбежная при работе в условиях высокой температуры деформация ползучести оказывает оешающее влияние на развитие межзеренного разру­ шения, так как она определяет возможность зарождения несплошностей — в результате межзеренной деформации, а также создает необходимую для развития трещин концентрацию вакансий (см. гл. I и II).

Подавлением пластической деформации в надрезанном сечении, по-видимому, следует объяснить и то, что при испытаниях на дли­ тельную прочность образцов с кольцевым надрезом большинство металлов классифицируется как «нечувствительные к концентра­ ции напряжения». Между тем при практической работе многие из «нечувствительных» сталей и сплавов оказываются склонными к хрупким разрушениям при наличии конструктивных или техно­ логических концентраторов.

Так, например, наблюдались разрушения шпилек из сталей 25Х1МФ (ЭИ 10), 25Х2М1Ф (ЭИ723), дисков из сталей 4Х12Н8Т8МФБ (ЭИ481), ХН35ВТ (ЭИ612), труб из 1Х18Н12Т и др. несмотря на то, что для данных материалов отношение дли­ тельной прочности образцов с надрезом к гладким было больше

74

Можно предположить, что металл у конусных углублений, как в результате действия концентратора, так и из-за повышения упругого сопротивления от создаваемого им объемного напряжен­ ного состояния, находится в процессе растяжения под действием нормальных напряжений, значительно превышающих средние, и в то же время наравне со всеми участками образца в данном се­ чении претерпевает пластическую деформацию. Условия напряже­ ния и деформации в образце с дефектом в зоне действия концен­ тратора значительно более тяжелые, чем на любом участке гладкого образца. В зоне углублений зарождаются и развиваются межзеренные трещины, преждевременно разрушающие образец. В слу­ чае действия концентратора трещина образуется при меньшей пластической деформации, чем у образца без поверхностных по­ вреждений.

Необходимо, кроме того, учитывать, что при нанесении на по­ верхность образца углублений вокруг них создается зона с значи­ тельной степенью наклепа, в которой имеются остаточные напряже­ ния. Зоны с наклепанной структурой сами по себе могут стать при­ чиной появления трещин из-за низкой деформационной способности холоднодеформированного металла (см. гл. IV).

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К СПИРАЛЬНОМУ НАДРЕЗУ

Исследование причин хрупких разрушений деталей энерго­ оборудования и рассмотрение данных о влиянии концентраторов напряжений на свойства жаропрочных сплавов позволяют сделать заключение о том, что пластическая деформация в зоне концентра­ тора значительно влияет на свойства. При оценке склонности ме­ талла к хрупким разрушениям в зависимости от назначения к ме­ таллу могут быть предъявлены требования по минимальной чув­ ствительности к концентратору напряжения, учитывающие факти­ ческие условия его работы.

Сравнительные испытания на длительную прочность гладких и образцов с кольцевым надрезом характеризуют чувствитель­ ность к концентратору при отсутствии или строго ограниченной пластической деформации. В большинстве случаев практической работы материалов при высоких температурах местное упроч­ нение в зоне влияния концентратора вследствие объемного напря­ женного состояния отнюдь не исключает протекания на данном участке пластической деформации. Такие условия наблюдаются, например, при действии дефекта или выточки, размеры которых составляют незначительную часть сечения детали, или при резком изменении формы изделия и т. д.

При исследовании склонности металлов к хрупким разруше­ ниям в условиях допущения пластической деформации в зоне концентраторов может быть применена разработанная ЦКТИ мето-

78

Коэффициент пересчета определяют из выражения

а — угол подъема винтовой линии; Кк — коэффициент концентрации при кручении для кольцевого

надреза;

Kt — коэффициент концентрации при растяжении для кольце­ вого надреза.

Так как применяемые при испытаниях параметры над­ реза нельзя отнести ни к мелкой, ни к глубокой выточке, то при определении Kt можно использовать интерполяционную зависи­ мость коэффициента концентрации, предложенную Нейбером [111]

KtM в случае одноосного растяжения при кольцевом надрезе можно определить по формуле Нейбера для плоской задачи.

В случае пространственной задачи, когда имеется ось симметрии, общий интеграл уравнений Ламе можно найти при помощи трех

Считая, что область возмущений напряженного состояния, вызванная надрезом в случае мелкой выточки, находится на боль-