книги из ГПНТБ / Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов

Прочности обобщенное напряжение сгш = аг — аг = сгь а условие пластичности удовлетворяется при at = стт. С продолжением растя­ жения пластическая область распространяется от поверхности к оси образца. В центральной области, вследствие объемного напряжен­ ного состояния и повышенного значения Yi , напряжения могут

Т

оказаться выше, чем у поверхности надреза. На рис. 67, в представ­ лено перераспределение продольного напря­ жения 0 [ с переходом от упругого растяже­ ния (кривая 1) к пяти пластическим ста­ диям (кривые 2—6), предшествующим раз­ рыву. Из-за объемного растяжения пласти­ ческая деформация в зоне надреза разви­ вается при значительно больших напряже­ ниях, чем при растяжении гладких образ­ цов. Поэтому сопротивление разрыву над­ резанных образцов оказывается выше, чем гладких. Об этом убедительно свидетель-

вой проточкой.

ствуют экспериментальные данные, установленные П. Людвиком на образцах из мягкой стали (рис. 68). С переходом от гладкого образца 1 к образцам 2, 3, 4 и 5 с усиливающейся концентрацией напряжений ординаты кривых растяжения возрастают, вследствие увеличения сопротивления пластической деформации, а абсциссы уменьшаются (рис. 69, а) в связи со сдерживающим влиянием над­ реза на остаточное удлинение. Согласно результатам испытаний образцов (табл. 5), временное сопротивление растяжению надрезан­ ных образцов сгв н выше, чем гладких ав г, но истинное напряжение при разрыве почти постоянно, о чем свидетельствуют кривые истин­ ных напряжений (рис. 69, б).

90

Для обеспечения равных условий испытания нескольких одина­ ковых надрезанных образцов на растяжение важное значение имеет центровка. Однако практически имеет место меньшее или большее

<5)

S,kzc/ mm1

Рис. 69. Кривые условных (а) и истинных (б) напряжений растяжения образцов, показанных на рис. 68.

смещение линии действия растягивающей силы от геометрической оси, вследствие чего растяжение оказывается внецентренным. С раз­ витием пластической деформации образец самоцентрируется, и пер­ воначальное влияние эксцентриситета постепенно утрачивается. Однако для материалов, склонных к хрупкости, под влиянием над-

91

реза колебания эксцентриситета приводят к рассеянию эксперимен­ тальных данных о предельной пластичности и о сопротивлении раз­ рыву. Можно задать эксцентриситет и заведомо испытывать надре­ занный образец на внецентренное растяжение. Таким образом сни­ мается предпосылка к рассеянию экспериментальных данных. В частности, внецентренное растяжение надрезанных образцов про­ исходит благодаря применению неплоской шайбы, подкладываемой под головку образца вблизи надреза с возбуждением продольной

PD

силы Р и изгибающего момента М = — (рис. 70, а).

Рис. 70. Сопротивление внецентренному растяжению круглых образ­ цов с кольцевым надрезом.

При рассмотренном испытании круглого образца с одним кольце­ вым надрезом в некоторой степени воспроизводится работа материала болтов с резьбой, для которых не исключена возможность внецентренного растяжения. Экспериментально установлено, что внецентрен­ ное растяжение надрезанных образцов с усилением перекоса (с уве­ личением угла а шайбы) оказывается более жестким испытанием, чем осевое растяжение этих же образцов. Выяснилось, что для некоторых сталей временное сопротивление надрезанных образцов по сравнению с временным сопротивлением гладких образцов увеличивается лишь при осевом растяжении и уменьшается при внецентренном растяже­ нии (рис. 70, б). В последнем случае снижение временного сопротив­ ления образцов из-за перекоса свидетельствует о повышенной чув­ ствительности сталей к надрезу и об их пониженной способности де­ формироваться пластически. Указанное испытание использовалось С. Е. Беляевым [2 ] с целью получения данных для оценки качества сталей при изготовлении высокопрочных болтов. Внецентренное растяжение обеспечивалось применением косых шайб с углами скоса а = 4 и 8°. Испытывались образцы из легированной стали после закалки (890° С) и отпуска при 200 и 600° С. С отпуском при 200° временное сопротивление гладких образцов 0Вг (см. рис. 70, б) оказалось выше, чем с отпуском при 600° (рис. 70, в). Однако на

92

надрезанных образцах низкоотпущенная сталь обнаружила чув­ ствительность к перекосу, уступив в этом высокоотпущенной стали.

Как уже упоминалось, при внецентренном растяжении временное сопротивление надрезанного образца ав н из низкоотпущенной стали

Временное сопротивление высокоотпущенной стали почти не изменяется при изменении угла скоса шайбы, и оно всегда выше, чем у гладкого образца: ав н ^ const > сгв г (см. рис. 70, в).

Таким образом, высокоотпущенная сталь, обладая меньшим вре­ менным сопротивлением (ав г = 112 кгс/мм2), оказалась предпочти­ тельнее по пластичности в жестких условиях, чем низкоотпущенная сталь с большим временным сопротивлением (сгв. г = 195 кгс/мм2). В эксплуатационных условиях высокоотпущенные болты работают надежнее низкоотпущенных.

Согласно схеме внецентренного растяжения (см. рис. 70, а), в на­ чале испытания происходит изгиб стержня образца из-за поворачи­ вания его головки до соприкосновения с косой-шайбой. Вследствие изгиба материал левой стороны надреза сжимается, а правой сто­ роны — растягивается. После полного соприкосновения головки с шайбой материал левой стороны начнет растягиваться, испытывая один цикл знакопеременного напряжения. Таким образом, рассмот­ ренный эксперимент приближается к испытанию на малоцикловую усталость с минимальным числом циклов.

На основании изложенного можно заключить, что испытание над­ резанных образцов на растяжение с перекосом служит эффективным средством проверки высокопрочных сталей на способность их дефор­ мироваться пластически.

§ 28

Изгиб надрезанных образцов

Для таких испытаний характерны простота выполнения и отчетливость результатов, свидетельствующих о спо­ собности металлических материалов деформироваться пластически в неблагоприятных условиях. Поскольку испытания надрезанных образцов предназначаются для исследования перехода материалов от пластичного состояния к хрупкому, то оказывается важным исклю­ чить факторы рассеяния из результатов эксперимента. При испытании на растяжение таким фактором служит случайный эксцентриситет нагрузки. Однако при изгибе некоторая неточность приложения усилия относительно надреза не оказывает влияния на эксперимен­ тальные данные даже при хрупком изломе. По этим соображениям испытание надрезанных образцов на изгиб оказывается предпочти­ тельнее, чем на растяжение, поэтому оно нашло наибольшее приме­ нение в случае оценки качества конструкционных сталей как мате­ риалов с двойственной природой прочности, требующих жесткого контроля пластичности, поскольку при гладких образцах не обеспе­

93

чивается такого контроля. Вследствие влияния на склонность метал­ лических материалов к переходу в хрупкое состояние формы концен­ тратора, абсолютных размеров, скорости деформирования и темпе­ ратуры, надрезанные образцы изготовляются и испытываются по государственным стандартам: ГОСТ 9454—60 и ГОСТ 9455—60. Фор­

Рис. 71. Надрезанные образцы для испытания на изгиб до излома: а — скругленный надрез; б — заостренный надрез; в — объемное растяжение в области местных напряжений.

стороне. В этом случае, при достаточно большом эксцентриситете, решающее значение имеет опять-таки деформация изгиба. Для не стальных металлических материалов испытания надрезанных образ­ цов не представляются столь важными, как для сталей.

Возбуждаемые в области надреза объемные местные напряжения

чительно больше единицы. В зависимости от способности стали при данных условиях деформироваться пластически, кривые сопротивле­ ния надрезанных образцов изгибу или внецентренному растяжению представляются тремя видами (рис. 72). Они соответствуют трем реологическим состояниям стали, характерные признаки которых указаны в табл. 6.

Кроме рассмотренных характерных видов кривых возможны промежуточные виды и соответственно промежуточные состояния стали. На рис. 73 представлена кривая изгиба, свойственная переходу от состояния высокой пластичности к состоянию ограниченной пла­ стичности. Первичный надрыв образуется при Ртах. Срывам нагрузки на нисходящей части кривой соответствуют мгновенные частичные распространения излома с кристаллической поверхностью блестя­

94

щего вида, а наклонным участкам — постепенное распространение излома с волокнистой поверхностью.

Согласно формулам (16) и (18) условия, не благоприятные для развития пластической деформации, складываются при повышении

параметра у х и при снижении реологической характеристики уотр.

т

К сближению значений ух и уотр прибегают с целью ужесточения

Т

испытаний образцов, чтобы проверить способность сталей деформи­ роваться пластически.

95

96

Понижение уОТр == достигается увеличением предела теку­

чести благодаря охлаждению и динамическому деформированию образца; под действием указанных двух факторов кривая сопротив­ ления пластическому деформированию располагается выше кривой при статическом воздействии (см. рис. 59), а сопротивление отрыву не изменяется. При статистическом методе анализа сопротивление хруп­ кому разрушению и сопротивление отрыву рассматриваются как случайные величины, зависящие от степени вероятности встречаю­ щихся пороков. Эти пороки ускоряют разрушение неоднородного материала и вызывают появление масштабного эффекта, который должен учитываться при выборе стандартной формы и размеров об­ разцов, испытываемых серийно до хрупкого разрушения.

§ 29

Техника испытания на излом надрезанных образцов. Обработка экспериментальных данных и их представление

Надрезанные образцы можно испытывать на статический изгиб до излома с записью диаграммы. Статическое испы­ тание позволяет установить качественные и количественные характе­ ристики по всем признакам, указанным в табл. 6.

Применение удара упрощает испытание. Поэтому надрезанные образцы испытываются на ударный излом, преимущественно с по­ мощью маятниковых копров. По ГОСТ 9454—60 испытываются образцы размерами 10x10x55 мм с надрезом, скругленным радиу­ сом 1 мм (см. рис. 71, а). В случае ударного испытания не представ­ ляется возможным проследить за нагрузками на образец и кинетикой излома. Но установленные в результате ударного излома энерго­ поглощение А н, абсолютное сужение Аb и структура излома образца по надрезу являются убедительными для суждения о способности исследуемой стали деформироваться пластически в неблагоприятных условиях. Иногда ударный излом производится на высокоскоростных копрах или путем подрыва, при которых затрудняется оценка работы, затраченной на излом образца. В последнем случае ограничиваются оценкой качества стали по структуре излома или по сужению надре­ занного образца АЬ, которое, по экспериментальным данным, ли­ нейно связано с энергопоглощением А п. Эта линейная зависимость дает основание рассматривать А н и АЬ как взаимозаменяемые харак­ теристики пластичности стали. Общепринято результаты испытаний

на ударный излом представлять ударной вязкостью ап — ■— кгс • м/см2,

где F — площадь сечения образца по надрезу, что, однако, представляет собой формальный пересчет, без анализа физических явлений. Ударная вязкость ан входит во многие технические усло­ вия на конструкционные стали как нормируемая величина для за­ данной температуры испытания. Например, нормируемая ударная

вязкость судокорпусных сталей ан 4 кгс м/см2 при температуре испытания —40° С.

При научных исследованиях пластичности сталей рассматри­ ваются данные серийных испытаний надрезанных образцов при раз­ ных температурах охлаждения, а установленные значения энергопоглощения Ап ударной вязкости ан или сужения ЛЬ представляются

гление радиусом 0,2 мм (см. рис. 71, б). В качестве результата испы­ таний принимается во внимание нагрузка Рсрыв на нисходящей ветви кривой изгиба (см. рис. р73). Неудовлетворительным признаком

считается получение Рсрыв > ^ , а также уменьшение площади

поверхности волокнистой структуры F„ в изломе до 30% и меньше от общей площади излома. Критерием оценки качества стали служит критическая температура, при которой могут встречаться как удо­ влетворительные, так и неудовлетворительные результаты испыта­ ний. Эта критическая температура обозначается Ткр с. Иногда в ка­ честве критерия рассматривается работа излома А к, затрачиваемая на распространение излома после образования первичного надрыва образца.

§ 30

Критерии хрупкой прочности. Кинетика хрупкого разрушения

При объяснении хладноломкости стали среди специалистов получила признание научная разработка Н. Н. Давиденкова [24]. Опираясь на схему А. Ф. Иоффе (см. рис. 58) [33], Н. Н. Давиденков нашел целесообразным указанную схему, постро­ енную для монокристалла каменной соли, применить к объяснению двойственной природы прочности стали, которая представляет собой поликристаллический материал с произвольным расположением кристаллических зерен.

98

Сопротивление отрыву стали стотр рассматривается Н. Н. Давиденковым как случайная величина с некоторым рассеянием значе­ ний, независимая от температуры, по аналогии с каменной солью (рис. 76, а). Предел текучести от представляется в функции от тем­ пературы кривой линией. Интервал температуры от t x до t2, в пре­ делах которого встречаются как хрупкое разрушение, так и теку­ честь, рассматривается как критический температурный интервал

хрупкости в случае испытаний надрезанных образцов на удар­ ный излом (рис. 76, б). Резкий переход от пластичности к хруп­ кости и сравнительно высокая критическая температура харак­ терны для сталей с упрощенной технологической подготовкой (ста­ ли кипящие, конверторные, а также стали в состоянии после ковки и проката). На улучшен-

ных, термически обработанных сталях критический температур­

уменьшается постепенно (рис. 77). Нежелезные металлические мате­ риалы в большинстве не хладноломки. С понижением температуры испытаний надрезанных образцов из нежелезных металлов, вслед­ ствие увеличения стт и сохранения пластичности, энергопоглощение может возрастать.

Двойственная природа разрушения стали обобщена схемой, предложенной Н. Н. Давиденковым (рис. 78, а). Схема содержит кривые растяжения 1—6, свидетельствующие о возрастании сопро­ тивления продолжению пластической деформации — переменного предела текучести ат в связи с упрочнением при понижении темпе­ ратуры (кривая 1 для комнатной температуры). Кривые распола­ гаются одна над другой тем выше, чем ниже температура испытания. Кроме того, кривые 1— 4 характеризуют вязкое разрушение, а кри­ вые 5 я 6 — хрупкое. Восходящая кривая АВ предположительно