книги / Хрупкость металлов при низких температурах

АКАДЕМИЯ

НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ИНСТИТУТ

ПРОБЛЕМ

ПРОЧНОСТИ

П P О Г P E G G

Хрупкость металлов при низких темпера­ турах / Красовский А. Я.— Киев : Наук, дум­

ка, 1980.— 340 с.

В монографии с позиций физики и механи­ ки разрушения рассмотрены явления хрупкого и усталостного разрушения металлов при низких температурах. Дан анализ напряженно-дефор­ мированного состояния материала в вершине трещины при отсутствии и наличии пластической зоны и связанных с этим макроскопических кри­ териев разрушения. На основе современных до­ стижений физики твердого тела анализируются процессы развития пластического течения в вер­ шине трещины и микроскопические критерии разрушения металлов, а также процессы рас­ пространения трещин усталости.

Рассчитана на научных и инженерно-техни­ ческих работников, интересующихся проблемой хрупкости и усталости металлов.

Ил. 187. Табл. 23. Библиогр.: с. 313—336 (503 назв.).

Ответственный редактор

Г. С. П и с а р е п к о

Рецензенты

В. Т. Т р о щ е н к о , В, И. Т р у ф я к о в

Редакция технической литературы

■30106-202 К М221(04)-80 357.80. 2105000000

(С ) Издательство

«Наукова думка», 1980

ПРЕДИСЛОВИЕ

Согласно установившимся представлениям, явле­ ние хрупкости металлов неразрывно связано с неизбежностью существования или возникно­ вения в них в процессе нагружения трещин. При этом в самом общем случае процесс хрупкого раз­ рушения принято разделять на три стадии: saрождение субмикроскопических трещин, подрас­ тание их до критических размеров, катастрофи­ ческий рост одной из трещин, приводящий к полному разрушению образца или детали. В за­ висимости от конкретной ситуации одна из двух или обе первые стадии могут отсутствовать (если в тело до его пагружепия возникли трещины до­ статочной величины), но окончательный акт хруп­ кого разрушения всегда связан с катастрофиче­ ским ростом трещин. Поэтому проблема предель­ ного' состояния тел с трещинами приобретает самостоятельное значение. Можно, например, представить себе некоторый атомный механизм зарождения трещины в весьма хрупком материа­ ле, сразу приводящий к возникновению в теле трещины критического размера. Прп этом вто­ рая стадия разрушения будет исключена, а тре­ тья наступит непосредственно за первой. Однако и в этом случае проблема критической длины трещины остается ключевой в теории хрупкого разрушения, поскольку данный параметр яв­ ляется единственным критерием, способным од­ нозначно характеризовать эффективность того или иного механизма зарождения трещин.

В результате интенсивного изучения пробле­ мы хрупкости металлов установлено, что во всей совокупности возможных условий нагружения металлы нельзя отнести к идеально хрупким

материалам. Их разрушение всегда сопровождается пластической деформаци­ ей, которая играет двоякую роль: как начало, стимулирующее зарождение трсщпп и тем самым облегчающее процесс'разрушенпя, и как мощный фактор релаксации напряжений в вершине трещины, способный существенно снизить аффект концентрации напряжений и, следовательно, препятствующий раз­ рушению. При такой ситуации вопрос о критической длине трещины при неизменной нагрузке или о критической нагрузке при неизменной длине тре­ щины не теряет значения, поскольку трещина в материале может существо­ вать в двух альтернативных состояниях — стабильном и нестабильном. Ус­ тановив количественную границу между этими двумя состояниями, можно определить, будет ли материал продолжать службу или разрушится. Нет принципиальной разницы в том, с какой стороны приближаться к этой гра­ нице: изучая разрушение тел с макроскопическими трещинами или исследуя процессы зарождения и развития субмпкротрещип при нагружении тел без трещин. Каждое из этих направлений имеет свои преимущества и недостатки, своп успехи и области приложения. Важной задачей современной науки о прочности и разрушении материалов является объединение достижений, по­ лученных на этих двух направлениях. Можно указать несколько примеров успешных попыток, направленных на решение этой задачи: коллективный труд по разрушению в семи томах под редакцией Г. Лнбовпца, две моногра­ фии Т. Екобори, ряд всесоюзных и международных конференций по разрушепнго. Однако эти примеры следует рассматривать лишь как начало работы в указанном направлении. Хочется надеяться, что предлагаемая монография также внесет посильный вклад в эту необходимую работу.

Основным содержанием книги является рассмотрение поведения под нагрузкой тел с трещинами. Основой такого рассмотрения служит анализ на­ пряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Поскольку наи­ более значительные результаты в указанной области получены методами ме­ ханики Сплошных сред, автор попытался их использовать. В то же время абсолютное игнорирование дискретности строения материала, которое имеет место в исходных предпосылках механики сплошных сред, оправдано лишь до определенных границ. В линейной теории упругости применительно к те­ лам с трещинами это проявляется в сингулярности напряжений и градиента напряжений в вершине трещины. Показательным примером ограниченности выводов, основанных на механике Сплошных сред, может служить также сле­ дующий факт. Известно, что проблема низкотемпературной хрупкости ме­ таллов возникла под влиянием внезапных разрушений металлоконструкций. Последующее ее изучение показало, что явлению низкотемпературного хруп­ кого разрушения подвержены металлы с объемноцентрированной кубиче­ ской структурой, в то время как металлы с гранецентрированной кубической структурой лишены этого недостатка. Создается парадоксальное положение — фактор дискретного строения материала, лежащий в основе явления хруп­ кости, при изучении проблемы с позиций механики сплошной среды игнори­ руется. Однако явление хрупкого разрушения сопровождается происходя­ щими в различных масштабах процессами в вершине трещины, значительную часть которых пока удается правильно описать лишь с позиций механики сплошных сред. Поэтому задачей в данном случае является правильное уста­ новление границ применимости выводов механики сплошных сред

п их умелое сочетание с представлениями о дискретном строении мате­ риалов.

Наконец, еще одно обстоятельство связано с тепловыми колебаниями атомов. Развитие физики твердого тела показало, что роль этих колебаний весьма велика: ими обусловлены многие процессы в твердом теле, в частности процессы пластического течения и разрушения металлов. Определяющей является роль тепловых колебаний атомов в формировании температурно­ временной зависимости деформирующих и разрушающих напряжений. В Свя­ зи с этим существует мненпе о якобы принципиальном различии в подходах

По отношению к хрупкому разрушению тел с трещинами такое различие про­ является в том, что механики рассматривают его как катастрофическое яв­ ление, связанное с достижением в вершило трещины критического состояния материала. Действительно, развитие экспериментальной механики разруше­ ния свидетельствует о том, что хрупкое разрушение тел с трещинами носит катастрофический характер. Однако это не исключает возмояшостп участия в нем тепловых колебаний атомов, вследствие чего условия достижения в вер­ шине трещины критического состояния могут зависеть от времени. В настоя­ щей работе обосновапа именно такая возможность.

Процессы, происходящие в вершине трещины и сопровождающие хруп­ кое разрушение металлов, рассмотрены поэтапно. Так, в главах первой и второй приведены анализы напряженно-деформированного состояния матери­ ала в вершине трещины и условия достижения в этой области критического состояния. Анализ проведен на основе методов механики сплошных сред. Третья глава посвящена микроскопическим процессам пластического тече­ ния металлов, поскольку эти процессы всегда сопровождают хрупкое разру­ шение металлов и оказывают на него определяющее воздействие. Эти пред­ ставления при специфических условиях, существующих в вершине трещины, обобщены в четвертой главе, которая также посвящена анализу структурных критериев потери материалом устойчивости в вершине трещины. Очевидно, что при разрушении образцов с трещинами должны удовлетворяться не только механические, но и структурные критерии разрушения, хотя в общем они не должны быть независимыми. Объединение указанных критериев и, как следствие, физическая интерпретация вязкости разрушения материалов представлены в пятой главе. Наконец, в шестой главе обсуждаются процессы распространения трещин усталости и переход от усталости к хрупкому раз­ рушению. Необходимость этой главы очевидна, так как хрупкое разрушение большинства ответственных деталей происходит в результате предваритель­ ного роста в них трещин усталости. Зачастую именно усталостные трещины развиваются на определенных этапах эксплуатации машин. Поэтому рас­ смотрение проблемы хрупкости металлов без этого материала было бы непол­ ным. Однако этот вопрос не может быть полностью освещен в одной главе, поэтому автор не претендует на полноту изложения всех современных дости­ жений в указанной области.

Основная часть описанных в монографии оригинальных эксперименталь­ ных результатов получена на одном материале малоуглеродистой стали

(техническое железо). Этим она также отличается от других посвященных проблеме хрупкости книг, в которых признаки хрупкого разрушения иллю­ стрируются на примерах поведения разнообразных материалов. Последнее особенно характерно для литературы по металловеденшо, в которой, как пра­ вило, определенные обобщения на разные классы материалов достигаются ценою откага подняться выше эмпирических закономерностей до уровня по­ нимания физической сущности явления хрупкого разрушения металлов. Тот факт, что в данной монографии в основу анализа положены самые общие ме­ тоды, такие, как линейная и нелинейная механика разрушения, термодина­ мика, теория дислокаций, позволяет надеяться па возможность достаточно широкого обобщения сделанных в ней выводов. G другой стороны, хорошо известно, что в процессе хрупкого разрушения даже разнородные материалы проявляют много сходных признаков. Прежде всего сказанное относится к влиянию на этот процесс температуры, скорости нагружения, вида напря­ женного состояния и некоторых других факторов. В такой ситуации выбор базового материала для экспериментальной проверки основных положений исследования представляется целесообразным.

В монографии представлены в основном результаты оригинальных ис­ следований, а также некоторые данные, полученные в последние годы в от­

ГЛАВА

1

НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ В ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ

При решении любой задачи прочности отправной точкой является анализ напряжений и деформаций, на оспове которого можно установить наиболее слабую область изучаемого объекта и сформулировать критерии, определяющие критическое состояние материала в пей. В одних случаях этот вопрос не представляет особых трудностей, в других может ока­ заться весьма сложной задачей. К последним случаям, например, относятся задачи, связанные с анализом разрушений, происхо­ дящих в результате развития трещин.

Для линейно-упругого материала в настоящее время разра­ ботана достаточно строгая теория, описывающая напряженное состояние в вершине трещины и являющаяся хорошей •основой анализа хрупких разрушений. В то же время решение задачи на­ пряженного и деформированного состояний в вершине трещины с пластической зоной для материала с упрочнением сопряжено со значительными трудностями. Между тем эксперименты пока­ зывают, что подавляющее большинство практически важных и опасных разрушений сопровождается неизменным присутстви­ ем пластически деформированной области в вершине трещины. Эта пластическая деформация влияет как на форму кончика тре­ щины, приводя к сглаживанию пика напряжений, так и на свой­ ства материала, подвергаемого разрушению. Оценка эффектив­ ной поверхностной энергии при разрушении металлов и сравне­ ние ее с истинной поверхностной энергией показывают, что пер­ вая может превышать вторую на несколько порядков, определяя исключительную важность учета роли локальной пластической деформации в вершине трещины.

В данной главе предпринята попытка наиболее краткого рас­ смотрения полученных к настоящему времени основных резуль­

сквозным разрезом и не претендуют на полноту обзора работ

в данной области. Основная задача — дать читателю представление

оспецифике напряженно-деформированного состояния материа­ ла в вершине трещины, с тем чтобы стало доступным и понятным последующее изложение материала.

Следует отметить, что если для линейно-упругого материала существуют достаточно простые решения, позволяющие прово­ дить всесторонний анализ напряженного состояния в вершине трещины, то для случая упруго-пластического поведения мате­ риала пока получены лишь некоторые аналитические решения частных задач, а также численные решения, позволяющие прежде всего указать рамки применимости упругих решений для анализа разрушений с пластической зоной и составить представление о вли­ янии на характер разрушения ряда факторов: деформационного

упрочнения, размеров образца и др. Определенное внимание в главе уделено линейной механике разрушения, богатый экспе­ риментальный материал которой позволяет сделать вполне кон­ кретные выводы относительно рамок применимости упругих ре­

вания получены существенные результаты как в решении новых задач, так и в систематизации данных теоретического и экспери­ ментального характера [168, 174, 175, 177, 221]. В связи с наметив­ шимся широким применением методов механики разрушения в практике конструирования и эксплуатации в последние годы за рубежом издан ряд книг, посвященный отдельным аспектам механики разрушения, а также работы, доступные для начального ознакомления с проблемой [58, 159, 263, 318, 456].

1. Трещина в линейно-упругом материале

В настоящее время в литературе доста­ точно подробно освещены вопросы хронологии появления и ос­ новные результаты решения различных задач теории трещин

Д. Д. Ивлева [67] рассмотрены основные работы по проблеме иде­ ально хрупкого и квазихрупкого разрушения, в обзорной части монографии В. В. Панасюка [163] — предельное равновесие тел

стрещинами, в исследовании Г. Н. Савина и В. В. Панасюка

[187]большое внимание уделено работам украинской школы ме­ хаников. Общие приемы решения задач теории упругости, в част­ ности задач о трещинах, рассмотрены в монографии Г. Н . Сави­ на [188]. Указанные работы дают достаточно полное представле­ ние о состоянии вопроса на конец 60-х годов.

В качестве основополагающих теоретических исследований методами математической теории упругости могут быть названы