книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

трещины. По этому варианту за начало собственно излома принята точка, соответствующая спаду нагрузки на 0,2 от максимальной (рис. 75). Если запись диаграммы изгиба ведется на инерционном силоизмерителе, то при расчетах необходимо вычесть площадь, которая обусловлена инер­ ционностью записи (незаштрихованная площадь DEFG на рис. 75).

Метод оценки склонности стали к хрупкости по работе излома надрезанных призматических образцов при ста­ тическом нагружении имеет ряд недостатков, затрудняю­ щих его широкое внедрение в лабораторную практику. Среди этих недостатков следует особенно отметить дли­ тельность и трудоемкость испытаний и, что самое глав-

Рис. 75. Усовершенствованная схема измерения ра­ боты излома (заштрихованная область)

ное, малость работы излома. При значительной чувстви­ тельности стали к распространению трещин работа соб­ ственно излома становится практически равной нулю и определить разницу в поведении различных сталей по этому признаку становится очень трудно.

В исследовании [92] определяли работу разрушения надрезанных образцов типа I по ГОСТу 9454—60 при по­ степенном увеличении работа удара в соответствии с ме­

121

тодикой,предложенной в литературе [128]. Для неразрушившихся образцов поглощенную работу определяли как запас работы маятника копра, а для разрушившихся — по показаниям копра. Показано, что при температурах выше критической между поглощенной образцом энергией и энергией маятника существует зависимость, представлен­ ная кривой для —40° С на рис. 76. При температурах

лей к хрупкости по ширине критической зоны охлажде­ ния, достаточной для того, чтобы вызвать разрушение образца по всему сечению. По этому методу образец охлаждается со стороны надреза до температуры ниже критической, в то время как основная часть образца на­ ходится при температуре выше критической. В сильно охлажденной зоне у надреза при ударном нагружении инициируется трещина, которая при соответствующих условиях (достаточной ширине зоны переохлаждения) мо­ жет распространиться на все сечение образца. Если тем­ пературу охлаждающей жидкости поддерживать строго постоянной, то хрупкие разрушения начнутся при до­ стижении основным сечением некоторого перепада тем­ пературы. Ширина критической переохлажденной зоны у надреза составляет при этом V3 всего сечения образца. Авторы работы [5] считают, что ширина этой зоны должна

122

быть структурно чувствительной величиной, и ее значе­ ние может служить критерием оценки склонности стали к хладноломкости.

Каак и Имбембо предложили методику оценки склон­ ности стали к хрупкости по результатам испытания пло­ ских образцов с надрезом при эксцентричном приложении нагрузки (рис. 77, а). При такой форме образца и выбран­ ной схеме нагружения работа деформации (Л0 на рис. 74)

Рис. 77. Образцы для определения:

а — работы разрушения при эксцентричном нагружении: б — работы и напряжения разрушения

относительно невелика и мало изменяется с температурой. Работа разрушения (Аг А 2 на рис. 74) существенно уменьшается при понижении температуры. За критерий хрупкости в этом случае принимается равенство нулю работы, затраченной на развитие трещины.

Исследование влияния формы и величины надреза, эксцентрицитета в приложении нагрузки, размеров об­ разца, скорости приложения нагрузки и других фак­ торов на работу и напряжение разрушения специальных образцов выполнено в работе Багсара. Форма и ос­ новные размеры образца показаны на рис. 77, б. Надрез с минимальным радиусом закругления 0,04 мм выполнялся путем вдавливания острозаточенного ножа из твердого сплава. Было показано, что влияние надреза возрастает цо мере увеличения его глубины до 4—5 мм. При даль-

123

нейшем увеличении глубины характеристики разрушения практически не меняются. На основании серии испыта­ ний образцов с надрезами, имеющими радиус закругле­ ния от 2 до 0,04 мм и экстраполяции полученных резуль­ татов к радиусу естественной трещины, принятому рав­ ным 7,5-10-5 лш, сделан вывод, что прочность пластины с трещиной при отсутствии эксцентрицитета в приложе­ нии нагрузки должна составлять 16,6 кГ/ммг. В работе [1771 считается, что это значение занижено, так как пря­ мые эксперименты дают значение прочности около 27—

30кГ/мм2.

Вработах [220, 2211 исследована склонность к хруп­

кости листовой судостроительной стали на образцах с искусственно созданной хрупкой трещиной. Эта тре­ щина возникала на предварительно охлажденных в жид­ ком азоте образцах при ударе острым клином. Испытания проводили на образцах, подобных показанным на рис. 77, а.

Предложен метод [3] оценки склонности стали к хлад­ ноломкости по результатам испытания при внецентренном растяжении образцов, сходных с образцами Багсара, имеющих перепад температуры вдоль направления распространения трещины. Такие образцы с различными надрезами охлаждали со стороны надреза парами азота, а с противоположной стороны подогревали до +40° С. Температуру в зоне надреза поддерживали на уровне —160° С, заведомо достаточно низком для зарождения хрупкой трещины. Распределение температуры в рабо­ чей части образцов контролировали термопарами. Испы­

острых концентраторах напряжений работа, предшествую­ щая началу собственно разрушения, мала. Уменьшение жесткости напряженного состояния в надрезе приводит к значительному увеличению работы деформации. Резуль­ таты испытания стали 10Г2С представлены на рис. 78. Критические температуры, установленные по рис. 78, ле­ жат выше критических температур, определенных по критерию ан = 3 кГм/см2 на стандартных образцах типа I.

Робертсоном предложена методика оценки склонности стали к распространению трещин по результатам испы­ тания плоских образцов с перепадом температуры по ши­ рине. Такая методика позволяет получить для заданной

124

температуры численные значения напряжений распро­ странения хрупких трещин. Эти значения могут быть использованы конструкторами для ориентировки при рас­ чете конструкций, работающих в условиях, способствую­ щих проявлению склонности стали к хладноломкости. По данной методике образец в виде широкой пластины

Рис. 78. Зависимость температуры остановки трещин в стали 10Г2С от действующего напряжения [3]:

ные обозначения —улучшенное состояние (минимальные значения напряжения соответствуют острому надрезу, средние — надрезу Менаже, максимальные — полукруглому)

нагружают осевым растяжением до заданного уровня напряжений. В средней части образца в направлении, перпендикулярном к оси растяжения, создается градиент температуры. С охлажденной стороны образца иниции­ руется хрупкая трещина в направлении, перпендикуляр­ ном к действующему напряжению. Для этого в имеющийся на образце острый надрез резким ударом забивается клин. Образовавшаяся трещина распространяется под действием запасенной упругой энергии образца на некоторое рас­ стояние и останавливается в точке с температурой tK.

125

но использовать в инженерных расчетах, так как эта величина зависит от условий эксперимента и нет гарантии, что в реальной конструкции она не окажется меньшей, чем

мых технических требований или их несовершенстве, возникает ве­ роятность появления трещин в на­

плавленном металле и других дефектов, являющихся кон­ центраторами напряжений. Кроме того, в элементах свар­ ных конструкций могут возникать реактивные и остаточ-

Рис. 82. Образцы:

а — сварной, предложенный Л. Е. Денисом [8]; б —с составным ребром

[177]

ные напряжения, способствующие хрупкому разрушению. В ряде работ [8, 177, 260] показано, что наличие трещин в наплавленном металле и собственных напряжений от

127

сварки существенно понижает сопротивляемость хруп­ ким разрушениям. В работе [8] впервые было установлено, что при наличии надрезов и значительных реактивных напряжений возможно самопроизвольное хрупкое разру­ шение сварных образцов, показанных на рис. 82, а при достаточном их охлаждении. Интересные результаты были получены при испытании образцов с составным ребром (рис. 82, б) [177]. Наличие острого концентратора на­ пряжений, расположенного поперек направления макси­ мальных остаточных напряжений, возникающих от при­ варки ребер, приводило при —60° С к появлению хрупкой трещины при напряжениях, на порядок меньших предела текучести стали.

3. Методы оценки склонности к хрупкости по энергии разрушения

В основе всех распространенных методов оценки склон­ ности стали к хрупкому разрушению по суммарной энер­ гии, затрачиваемой на всех стадиях этого процесса, лежит испытание на ударный изгиб надрезанных образцов. В ре­ зультате таких испытаний в большинстве случаев опреде­ ляется удельная работа разрушения, называемая также ударн.ой вязкостью. При этом работа разрушения отно­ сится к площади поперечного сечения образца в месте излома.

Работа разрушения образца может быть представлена как сумма работ, затрачиваемых на образование и рас­ пространение трещины. Соотношение между величинами этих составляющих определяется не только природой стали, но также формой образца, видом надреза, усло­ виями испытания. Вполне очевидно, что при очень остром надрезе для зарождения трещины потребуется сравни­ тельно небольшая энергия и ударная вязкость будет в основном определяться работой распространения тре­ щины. В другом крайнем случае, при отсутствии надреза, ударная вязкость почти полностью определится работой зарождения трещины. Так как работа зарождения тре­ щины больше работы, затрачиваемой на распространение уже появившейся трещины, то величина ударной вяз­ кости образцов с менее жестким надрезом всегда будет больше ударной вязкости образцов с более жестким над­ резом.

128

Изменение условий нагружения по-разному влияет на величину составляющих ударной вязкости. Известно, что при понижении температуры суммарная работа разру­ шения изменяется в первую очередь за счет уменьшения работы распространения трещин [55]. Работа зарождения трещины практически не изменяется до тех пор, пока работа рас­ пространения трещины не уменьшится почти до нуля. При использова­ нии образцов с очень острым надрезом темпе­ ратурная зависимость ударной вязкости в основном определится изменением с температу­ рой работы распростра­ нения трещины. Пере­ ход в хрупкое состояние будет при этом фикси­ роваться при более вы­ соких температурах,чем при испытании образцов с менее жестким над­ резом.

В большинстве стран для ударных испытаний используют призмати­ ческие образцы квадрат­

ного сечения размером ЮхЮлш. Выбор сечения и меж­ опорного расстояния произволен и обусловлен в основном удобством проведения испытаний. Форма и размеры над­ резов на ударных образцах бывают различными. Наибо­ лее распространены образцы, представленные на рис. 83.

Для исследования чувствительности стали к надрезу используется серия оригинальных образцов, предложен­ ных Шнадтом (рис. 84). Особенностью образцов Шнадта является отсутствие зоны сжатия. Это достигается при по­ мощи высокопрочного цилиндрика, вставляемого в от­ верстие в образце со стороны удара. В СССР ГОСТом 9454—60 предусмотрено пять типов ударных образцов, показанных на рис. 85.

Ударная вязкость не является физической констан­ той. Поэтому для того, чтобы можно было сравнивать результаты испытания различных сталей, необходима же­

стандартизованного ранее одного типа ударного образца по Менаже. По возрастающей жесткости напряженного состояния эти образцы должны быть расположены в ряд

V—I—II—III—IV, что подтверждено в работе [109] для испытания группы сталей при комнатной температуре.

Представляет интерес влияние формы образцов по ГОСТу на температуру перехода стали в хрупкое со­ стояние. Установлено [109], что в зависимости от мето-

130