книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

^-11 ЬЗ № 4 7 — 1970 г.—.№ 19

В сборнике приведены оригинальные статьи и сообщения о ре­ зультатах исследований по различным вопросам проблемы хладостойкости сталей и сварных конструкций, рассмотрена физическая природа склонности стали к хрупкому разрушению, в том числе и дискуссион­ ные вопросы этой проблемы. Ряд статей посвящен исследованию влия­ ния металлургических и других факторов на хладостойкость стали и конструкций. В некоторых работах сообщаются результаты исследова­ ния хладостойкости деталей машин и эксплуатации, описываются на­ турные и модельные испытания на хладостойкость п новые методы оцен­ ки сопротивляемости хрупким разрушениям при низкой температуре.

Сборник рассчитан на научных работников и инженеров, работа­ ющих в области конструирования технических устройств для Севера и создания для этих устройств сталей повышенной хладостойкости.

Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :

канд. техн. наук К. В. Попов (ответственный редактор), докт.

техн. наук ^ Я. О. Окерблом , канд. техн. наук О. Ф. Станкевич.

ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛИ И СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р

Константин Викторович Попов

Редактор Л. В. Шалина

Художественный редактор В. И, Шумаков

Художник В. В. Ростигаев

Технический редактор Т. К. Овчинникова

Корректоры М. А. Лапшина, Н. И. Колесникова

Сдано в набор I декабря 1969 г. Подписано в печать 6 августа 1970 г. МН 00662. Бумага 60X90716, 14,5 печ. л., 12,6 уч.-нзд. л. Тираж 1300 экз.

Издательство сНаука», Сибирское отделение. Новосибирск. Советская, 18. Заказ 534. Отпечатано Новосибирским полнграфкомбинатом с матриц, изготовленных Саратовским полигоафкомбииатои (Саратов, Чернышевского, 59)

Иена I р. 26 к.

А. В. СТЕПАНОВ

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ХРУПКОГО РАЗРУШ ЕНИЯ*

В статье приведена краткая информация о состоянии опыт­ ных и теоретических работ по физике хрупкого разрушения. Цель подобных исследований — объяснение макроскопических за­ конов хладноломкости — хрупкого разрушения с позиции со­ временных представлений о строении вещества и меонатомных воздействий.

Большой вклад в эту область физики кристаллов и металло­ ведения сделан советскими учеными, особенно научными школа­ ми академиков А. Ф . Иоффе и Н. Н. Давиденкова.

Хотя вопросы хрупкого разрушения имеют наибольшее зна­ чение в применении к металлам, особенно железу и его сплавам, современные представления о физике хрупкого разрушения получены в основном в результате исследований, проведенных не на металлах, а главным образом на двух материалах — крис­ таллах хлористого натрия и фтористого лития. Больше того, огромный опытный материал, непрерывно появляющийся в металловедческих лабораториях, относящийся к хрупкому, к сожалению, в значительной своей части до сих пор не может быть использован в полной мере для создания физической теории хрупкого разрушения. Это обусловлено тем, что для разработки вопросов теории необходимо проведение специфических иссле­ дований.

Существует обоснованное мнение, что поведение металлов качественно не отличается от поведения кристаллов галоидных

* Эта статья ни в коей мере не претендует на сколько-нибудь исчерпываю­ щее рассмотрение физической природы хрупкого разрушения. В ней в весьма упрощенном и схематичном виде излагается история вопроса и пути разви­ тия физического учения о хрупкости. Более полные сведения читатель найдет в цитируемой литературе.

соединений щелочных металлов, например кристаллов хло­ ристого натрия и фтористого лития, и выводы, полученные при изучении последних, можно переносить на металлы, в частности на железо.

Но, конечно, полноценные представления о хрупком разру­ шении металлов не могут быть получены без проведения иссле­ дований на металлах.

В силу сказанного следует иметь в виду, что почти все све­ дения и основные представления, которые будут в дальнейшем приводиться, получены главным образом в результате исследо­ вания монокристаллов хлористого натрия и фтористого лития.

Процессы разрушения, в том числе и хрупкого, локальны, поэтому теория разрушения поликристалла не может быть соз­ дана, прежде чем мы не разберемся в поведении одного зерна монокристалла.

Физическая природа хрупкого разрушения — это очень об­ ширная тема и в небольшой статье невозможно ее осветить пол­ ностью, поэтому автор не ставит такой задачи, ограничившись рассмотрением лишь одного из центральных вопросов хрупко­ го разрушения, а именно, природы элементарной хрупкой тре­ щины.

Начало физического учения о хрупком разрушении твердых тел было положено английским ученым Гриффитсом и главным образом выдающимся советским ученым академиком Абрамом Федоровичем Иоффе. Им выполнены первые работы в этой об­ ласти, в значительной мере на долгие годы предопределившие пути ее развития. В дальнейшем эти исследования были продол­ жены его многочисленными учениками И. В. Обреимовым и Л. В . Шубниковым, М. В. Классен-Неклюдовой, Н. Н. Давиденковым и многими другими.

В известной работе, выполненной в 1923 г., академик А. Ф. Иоффе, имея дело с кристаллами хлористого натрия, уста­ новил ряд фундаментальных фактов и выдвинул много новых представлений.

К числу наиболее важных результатов, относящихся к при­ роде хрупкого разрушения и изложенных в работе, следует отнести: во-первых, установление взаимоотношения между хруп­ ким и пластичным разрушением при изменении температуры (известное под названием схемы А. Ф. Иоффе хрупкого разру­ шения); во-вторых, установление факта исключительного влия­ ния состояния поверхности на характер разрушения (так назы­ ваемого эффекта Иоффе); в-третьих, экспериментальное дока­ зательство, что прочность кристаллов соответствует ожидаемой

теоретической (при проведении испытаний в определенных ус­ ловиях).

В период между 1923 и 1933 гг. господствовала точка зре­ ния, что трещины, приводящие к хрупкому разрушению, возни­ кают в результате развития зародышевых трещин, заранее, до нагружения образца, находившихся на его поверхности, что при­ рода хрупкого разрушения кристаллов металлов та же, что и стекла.

А. Ф. Иоффе после 1923 г., а также в других лабораториях, пока­ зали, что первоначальные представления о хрупком разрушении, содержащиеся в упомянутых работах академика А. Ф. Иоффе, не во всем являются правильными.

В результате применения более точных методов определения предела упругости, например, оказалось, что трактовка перехо­ да от хрупкого к пластичному разрушению, представленная в известной схеме академика А. Ф. Иоффе (рис. 1), не отвечает действительности, поскольку кривые температурных зависи­ мостей предела упругости и хрупкой прочности не пересекаются (рис. 2, а и б). Лишь в некоторых случаях кривая температур­ ной зависимости хрупкой прочности сливается с кривой темпе­ ратурной зависимости предела упругости (см. рис. 2, б).

Выяснилось, что пластичность кристаллов атермической природы, предел упругости кристаллов очень низок. В проти­ воположность поведению таких материалов, как стекло, пластич­ ность кристаллов сохраняется даже при температурах,

за-нем-наносится тончайшая царапина(рис. 4, а). После это­ го кристалл растягивается и с помощью поляризационно оптинескнх. методов наблюдается зона около царапины. Оказывается, что ИЗ.ЭТ9Й зоны появляются линии скольжения (см. .рис. 4,6) и в конце концов в этом месте образуется хрупкая трещина, по плоскости спайности приводящая к разрыву.

Здесь также наглядно демонстрируется связь появления хруп­ кой, трещины с пластической деформацией и с первичным дефек­ том.

В свое время выдвинутая нами гипотеза не встретила сочув­ ствия, а также проведенные нами исследования не заставили ее принять, /хотя против них.не было выдвинуто возражений.

Представление о том, что пластическая деформация подготов­ ляет условия для хрупкого разрушения, шло вразрез с устано- 'вившимися тогда понятиями и воззрениями. Но, однако, даль­ нейшее развитие науки подтвердило правильность наших пред­ оставлений.

Экспериментальное изучение условий хрупкого разрушения 'неизменно подтверждало его тесную связь с пластичностью, которая емупредшествует. Так, в работе Орована и Кана 151 рентгеновские исследования поверхности хрупкого излома Лис­ та судостроительной стали показали наличие тонкого пласти­ чески деформированного слоя.

Клир-в-работе [6] рентгеновскими методами показал, что рас­ пространение отрыва в результате надреза в кремнистом железе связано с полосами деформации (Неймана), а в малоуглеродис­ той стали — с полосами деформации и скольжения.

Петч в работе 17] показал, что при хрупком разрушении ненадрезанного поликристаллического цинка, в жидком азоте, в зернах, расположенных далеко от излома, не обнаружено де­ формации, тогда как в слое, непосредственно прилежащем к излому и состоящем из небольшого числа зерен, обнаружено «двойникование».

Многочисленные наблюдения, в том .числе металлографичес­ кие данные Бейертца, Крэга и Бамиса [8], на малоуглеродистой стали в данное время несомненно показывают, что пластическая деформация не следует за распространением трещины, а наоборот, предшествует ему. Теснейшая связь хрупкого разрушения с пластичностью убедительно показана, например, на рис. 5, где представлена зависимость сопротивления отрыву <тс феррита

Рис 5. Зависимость сопротивления отрыву а с феррита при —196° С от раз­ меров зерен [7] (а); зависимость предела текучести а н.п.тферрита ПРИ— 196ЯС

Наблюдается один и тот же закон в обоих случаях __1_

о„. п. т = о0+ к *е 2 ,

причем постоянная этой зависимости <т0 одинакова как для соп­ ротивления отрыву, так и для уравнения, определяющего пре­ дел текучести. Подтверждением гипотезы о том, что хрупкое разрушение предопределено изменениями, создаваемыми в крис­ талле пластической деформацией, является также то, что со­ временная дислокационная теория позволяет получить эту

зависимость, теоретически исходя из отождествления трещин со сдвигами, рассчитывая напряжения, создаваемые группами дислокаций, на границах зерен, находящихся в плоскостях скольжения.

Из работ Кочановой, Щукина и Лихтмана [9 ], исследовав­ ших появление трещин в разноориентированных, амальгами­ рованных, кристаллах цинка, растянутых до различной дефор­ мации, следует, что на начальной стадии трещина образуется под действием деформационных неоднородностей (незавершен­ ных сдвигов или скопления дислокаций), т. е. основная роль

принадлежит приложенному скалывающему напряжению. Здесь было упомянуто лишь небольшое число работ по этому вопросу. Оно может быть во много раз увеличено. По существу, каждое новое исследование, посвященное выяснению условий

теориями разрушения кристаллов. Пластическая деформация создает предпосылку для образования трещин, приводящих к хрупкому разрушению. Схема А. Ф. Иоффе хрупкого разруше­ ния в значительной мере принадлежит истории.

Следующим, третьим и важным этапом в учении о хрупкости является появление дислокационных теорий и их применение к проблеме разрушения и хрупкости [10— 12].

В данное время ведущими в учении о прочности и пластич­ ности кристаллических тел являются дислокационные представ­ ления.

Реальный кристалл не обладает совершенным строением, в нем много дефектов — отклонений от нормы в расположении ато­ мов, присущих данному кристаллу. Примером таких дефектов могут служить дислокации, вакансии, включение атомов приме­ си, изотопы, атомы в различных энергетических состояниях и др. Здесь рассмотрим лишь дислокации — границы незавер­ шенных сдвигов.

Даже в хорошем, тщательно приготовленном, отожженном кристалле плотность дислокаций достигает 103 — 102 см2. Эти дислокации в кристалле образуют некоторую структуру, они связаны друг с другом и находятся во взаимодействии.

Под влиянием внешних механических сил имеющаяся в крис- А талле система дислокаций видоизменяется, перемещается, раз­ множается.