книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

том расстоянии от оси, можно принять, что г = о о . При этом функ­ ции Fx (i = 1, 2, 3) обращаются в гармонические функции от г и z; дифференциальные зависимости (24) переходят в условия Коши—Римана [112], которыми функции F2 \\ F3 связаны в пло­ ской задаче, а функции X = Fi + rF2 + zF3 в бигармоническую функцию напряжений Эри, удовлетворяющую уравнению V4A = = .0, которое, как известно, является основным уравнением пло­ ской задачи теории упругости.

Поэтому коэффициент концентрации для мелкой выточки вычисляли по известной формуле Нейбера для плоской задачи с учетом разгружающего влияния на коэффициент концентрации соседних надрезов у дна надреза

t — глубина надреза.

Разгружающее действие соседних выточек рассчитывают по формуле, предложенной Нейбером [111].

Влияние глубины спирального надреза на прочность и пла­ стичность стали видно из результатов испытаний перлитной стали 25Х1МФ (ЭИ10) с постоянными скоростями. Значения коэф­

фициента концентрации напряжений КТ, создаваемых спираль­

ным надрезом, для образцов диаметром 12 мм при р ■= 0,2 мм, определенного по формуле (15), приведены ниже:

Величина КТ интенсивно изменяется до глубины надреза 1 мм; дальнейшее увеличение глубины выточки влияет незначительно;

значение К*п в приведенном примере находилось в пределах от 1 до 4,8.

Изменение деформации до разрушения для гладкого образца и до образования трещин в надрезе в образцах со спиральным надрезом с уменьшением скорости деформации (увеличением вре­ мени до разрушения) дано на рис. 31, а. Каждой серии образцов с определенной глубиной надреза соответствует своя зависимость

деформация — скорость, аналогичная таковой для гладких об­ разцов; чем больше глубина спирального надреза, тем при мень­ шей деформации происходит образование трещин.

Изменение предела прочности с уменьшением скорости дефор­ мации приведено на рис. 31, б. Надрез глубиной 0,25 мм практи­ чески не снижал прочности материала. Надрезы глубиной 1 и 2 мм

вызывали разрушение при более низких напряжениях. Предел прочности с увеличением времени испытания снижается аналогично при испытании гладких и над­

резанных образцов.

Испытания образцов со спи­ ральным надрезом постоянного профиля (глубина надреза 1 мм),

но при различном диаметре,

Рис. 31. Зависимость относительного удлинения (а) и предела прочности (б) стали 25Х1МФ (ЭИ10) от скорости деформации:

1 — гладкие образцы; 2 — образцы со спиральным надрезом глубиной 0,25 мм; 3 — 1 мм; 4 — 2 мм

показали, что уменьшение диаметра образца с 12 до 8 мм прак­

тически почти не влияет на величину пластической деформации до появления трещины бт. При этом коэффициент концентрации

КГ изменяется от 4,1 до 3,8.

О влиянии формы образца и коэффициента концентрации на чувствительность стали 25Х1МФ (ЭИ10) к спиральному надрезу

концентрации при углублении выточки практически не влияет на деформационную способность стали.

Наиболее эффективны по чувствительности к надрезу по проч­ ности K Z U, наоборот, концентраторы со значением КГ > 3. По-видимому, чтобы учесть форму детали при оценке чувствитель­ ности к надрезу по прочности при высокой температуре недо­ статочно знать только коэффициент концентрации, а необходимо более детально изучить создаваемое надрезом напряженное со­ стояние.

формацию изгибом, которую вызывает изгибающий момент, по­ рождаемый формой образца. Чтобы исключить изгиб, применили образцы с двухзаходным спиральным надрезом; при такой форме образца изгиб расчетной части исключается.

Наиболее распространен образец диаметром 8 мм при длине

При такой форме образца коэффициент концентрации напряже­

ний /С*п, определенный по формуле (15), составляет 3,7. Применяя образец такой формы, необходимо радиус притуп­

ления в надрезе выдерживать достаточно точно; отклонение на ±0,02 мм вызывает изменение К *п на ±0,2 . Отклонение по глу­

а вид его после испытаний на рис. 32, б.

ВЛИЯНИЕ СПИРАЛЬНОГО НАДРЕЗА НА ПЛАСТИЧ­ НОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ

О деформационной способ­ ности жаропрочных металлов при действии концентратора напряжений можно судить на основании данных испытаний образцов со спиральным надре­ зом с постоянными скоростями деформации. При этом измене­ ние пластичности с температу­ рой, как и при обычных испы­ таниях (см. главу И), может быть описано серией V-образ- ных кривых, показанных на рис. 33. Относительное удлине­ ние, соответствующее появлению макротрещин (6Т), при наличии спирального надреза (контур­

ные линии) в несколько раз ниже, чем относительное удлинение (бр) гладкого образца (пунктирные линии). Как и в случае испы­ таний на гладких образцах, уровень пластичности стали опреде­ ляется скоростью деформации. Чем меньше скорость деформации, тем ниже минимальное относительное удлинение и меньше крити­ ческая температура (ТКтм). Наличие концентратора как бы сме­ щает V-образную кривую в направлении уменьшения относитель-

ного удлинения. Линия Р —Р на рис. 33, показывающая изменение минимального относительного удлинения 6Т образцов с надрезом, проходит значительно ниже, чем для гладких образцов.

Снижение пластичности материала при действии концентра­ тора наблюдается в любых температурных условиях, но эффектив­ ность его влияния возрастает в зоне температур проявления склон-

Рис. 34. Изменение относительного удлинения стали 25Х1МФ (ЭИ10) с температурой при испытаниях с по­ стоянной скоростью деформации, %/ч:

ности к хрупким разрушениям. Например, для перлитной стали 12Х1МФА (рис. 34) такими зонами являются температуры выше 400° С, при которых проявляется действие межзеренного разру­ шения, и ниже — 100° С, при которых имеет место хладноломкость. При снижении пластичности в области температур деформацион­ ного старения также наблюдаются минимумы, но при меньшем об­ щем уровне относительного удлинения, чем на кривых, получен­ ных при испытаниях гладких образцов [93, с. 1].

Изменение пластичности металлов при действии концентра­ тора с понижением скорости деформации происходит аналогично описанному в гл. II для гладких образцов (рис. 35, а — пунктир­ ные линии). В зоне температур, соответствующих межзеренному

Рис. 35. Изменение относительного удлинения 6Т (а) и предела прочности (б) стали 1Х18Н9Т в зависимости от скорости деформации для образцов со спиральным над­ резом. Пунктирные линии — гладкие образцы.

Температура испытания, °С:

1 — 400; 2 — 500; 3 — 600; 4 — 700; 5 — 800

разрушению с понижением скорости деформации (увеличение времени до разрушения), наблюдается понижение относительного удлинения (6Т) примерно с той же интенсивностью, что и при испытаниях в отсутствие концентратора.

При умеренных температурах, при которых разрушение носит внутризеренный характер, уменьшение скорости деформации обыч­ но приводит к увеличению относительного удлинения (см. гл. II);

аналогично изменяется пластичность в подобных условиях и при действии концентратора; во всех случаях деформационная спо­ собность материала при действии концентратора напряжения значительно ниже.

Резкое снижение деформационной способности у образцов со спиральным надрезом является следствием специфических усло­ вий, в которых работает металл при действии концентраторов на­ пряжения. При двухзаходном спиральном надрезе в любом сече­ нии на расчетной длине образца имеются концентраторы напря­ жений постоянной формы, так что до появления неравномерной деформации по длине относительное удлинение будет соответ­ ствовать средней пластической деформации в надрезанном сече­ нии образца. Кроме симметричных участков каждого сечения, на которые распространяется влияние надреза (всестороннее растя­ жение, местные перенапряжения), остальная, значительно боль­ шая часть материала будет подвержена действию одноосного рас­ тяжения. Итак, при таких испытаниях материал всей расчетной части образца будет претерпевать пластическую деформацию, не меньшую, чем при испытаниях гладкого образца. Как отме­ чалось в гл. I и II, основной особенностью высокотемпературного разрушения, определяющего их характер, является соотношение двух факторов: развития межзеренных несплошностей, дефектов, создающих местное перенапряжение в металле, и интенсивных процессов релаксации, ликвидирующих или уменьшающих мест­ ные перенапряжения. Конструктивные концентраторы при прак­ тической работе материала или спиральный надрез на образцах при его испытаниях создают благоприятные условия для прежде­ временного появления и развития межзеренных трещин. Такими условиями являются высокий уровень нормальных напряжений и затрудненный процесс их релаксации. Пластическая деформация ползучести обусловливает появление на приграничных участках субмикроскопических несплошностей и вакансий, необходимых для развития межзеренных трещин. Отсутствие или резкое уменьше­ ние величины пластической деформации, например при кольце­ вом надрезе, уменьшает интенсивность генерации вакансий и раз­ витие межзеренного разрушения. В последнем случае при заро­ ждении и развитии межзеренных трещин требуется значительно больше времени. Появление межзеренных трещин в зоне дей­ ствия спирального надреза приводит к образованию и развитию магистральной трещины на более ранней стадии деформации. Соотношение времени, потребного для разрушения образцов гладкого и с кольцевым и спиральным надрезами, представлено схематически на рис. 36. Различные условия деформирования вызывают разное по интенсивности снижение сопротивления от­ рыву.

Сложная форма образцов со спиральным надрезом и отсутствие соответствующих исследований для таких условий напряженного

состояния материала при упругой и пластической деформации не позволяют в настоящее время рассмотреть раздельно эффект как местного повышения уровня нормальных напряжений в ре­ зультате объемного напряженного состояния, так и местной кон­ центрации деформации у дна надреза. Однако многочисленные ис­

Я. Б. Фридмана [2] отмечается, что даже при одноосном растяже­ нии поликристаллических материалов существует значительная микронеоднородность деформации. Создаваемая концентраторами неравномерность напряженного состояния еще больше усиливает эту неоднородность. Наблюдаемая при испытаниях образцов С кольцевым надрезом резкая неравномерность деформации по

V, %/ч

25Х1МФА (ЭИ10)