Файл: Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов.pdf

представляет собой сопротивление отрыву сготр, которое возрастает вследствие упрочнения стали. Отрыву соответствует кристалличес­ кая поверхность блестящего вида. Нисходящая кривая BD представ­ ляет собой сопротивление вязкому разрушению SK, которое насту­ пает в связи с деформационным разрыхлением стали, при волокни­ стой поверхности излома. Рассмотренная схема подтверждена про­ стыми, но убедительными опытами Е. М. Шевандина [72]. Его пре­ емник И. А. Разов [72] на основании тщательных экспериментов

а)

Рис. 78. Схемы прочности стали.

нашел целесообразным дополнить схему Н. Н. Давиденкова сопро­ тивлением смешанному излому (рис. 78, б, участок ВС). Согласно наблюдениям И. А. Разова, смешанный излом состоит из двух кон центрических областей. Первая область представляет собой волокни­ стую поверхность первичной центральной трещины. Для второй об­ ласти характерен кольцевой ободок, по которому отрыв происходит из-за усиления концентрации и объемности напряжений с соответ­ ствующим повышением значения Yj у вершины трещины.

7

Г. В. Жемчужников и В. С. Гиренко [30] условно разделяют процесс хрупкого разрушения стали на две последовательные ста­ дии: первая — возникновение трещины, вторая — распространение трещины, приводящее к излому. Эти рассуждения основываются на экспериментальных данных растяжения больших плоских образ­ цов из малоуглеродистой и низколегированной стали с концентра­ торами напряжений. Они нашли, что в благоприятных температурных условиях сопротивление возникновению трещины выше, чем сопро­ тивление ее распространению. При растяжении с отсутствием холода наблюдается пластичное состояние стали, происходит деформацион­ ное упрочнение ее и выгодное перераспределение] напряжений. Вследствие этого образец выдерживает номинальное напряжение

100

значительно большее, чем предел текучести. С понижением темпера­ туры возникающий при развитии пластической деформации первич­ ный надрыв может привести к мгновенному образованию трещин, причем излом будет смешанным, состоящим из волокнистых и кри­ сталлических участков. С усилением охлаждения, после возникнове­ ния первичного надрыва и разрушения, поверхность излома может оказаться полностью кристаллической.

Таким образом, можно заключить, что независимо от темпера­ туры, за исключением области самых низких температур, возникно­ вение хрупкой макротрещины происходит при повышенных номи­ нальных напряжениях, а распространение ее —-при значительно меньших номинальных напряжениях. Другими словами, страгивание трещины с места требует значительно большего усилия, чем дви­ жение уже распространяющейся трещины. В случае предварительной пластической деформации и старения стали, по данным Г. В. Жемчуж­ никова и В. С. Гиренко, возникновение трещины под действием низ­ ких номинальных напряжений происходит при более высоких темпе­ ратурах.

На различие предельных состояний стали в зависимости от тем­ пературы охлаждения обращают внимание и С. В. Серенсен и Н. А. Махутов [611. В качестве характерных предельных состояний они выделяют состояния высокой и ограниченной пластичности со свойственными им большими предельными нагрузками, а также хруп­ кое состояние, наступающее при низкой предельной нагрузке. Эти исследователи находят применимой в условиях хрупкости линейную механику разрушения с использованием силовых, энергетических

идеформационных критериев.

Вкачестве силового критерия хрупкого разрушения в последние годы привлек внимание специалистов коэффициент интенсивности

напряжений. На основе научных разработок Д. Ирвина и дру­ гих исследователей этот коэффициент представляется важной кон­ стантой материалов, которые при осевом растяжении гладких образ­ цов не обнаруживают хрупкости, но становятся хрупкими при дей­ ствии таких факторов, как трещины, геометрические концентраторы напряжений, увеличенные размеры идр. Коэффициент интенсивности напряжений определяется значением номинального напряжения и длиной первичной трещины, служащей причиной внезапного рас­ пространения хрупкого излома. Предполагается, что распростране­ нию трещины предшествует пластическая деформация, охватываю­ щая небольшую область материала вблизи вершины трещины. Счи­ тая пластически деформированную область частью трещины, для определения составляющих напряжений у вершины трещины можно применить решение по линейной теории упругости. Эти составляю­ щие в качестве множителя содержат коэффициент интенсивности напряжений, обозначаемый через k. Например, для широкой растя­ нутой полосы с поперечной трещиной длиной 21 коэффициент интен­

сивности напряжений k = а Уп1, где ст— номинальное растяги­ вающее напряжение. Хрупкое разрушение наступит в том случае, если k достигнет критического значения, представляющего собой

101

для бесконечно широкой растянутой полосы значение акр ]/1 должно представлять собой константу прочности. Об этом свидетель­ ствовали опытные данные, полученные им при испытании внутренним давлением сферических стеклянных колб толщиной 0,25 мм с трещи­ нами различной длины (табл. 7).

В случае металлического материала с трещинами разрушение не всегда представляется подобным хрупкому разрушению стекла; в изломе могут быть признаки, свидетельствующие о предшествую­ щей пластической деформации. Этими признаками служат сужение материала образца в области трещины, значительное раскрытие трещины перед разрушением, косые кромки излома, совпадающие с направлением наибольшего касательного напряжения. Развитие пластической деформации можно устранить, прибегая к масштабному эффекту, отрицательно влияющему на пластичность и усиливающему склонность к хрупкому разрушению. Однако это может привести к испытаниям очень больших образцов, а для наиболее распростра­ ненных углеродистых и низколегированных сталей увеличение раз­ меров не всегда приводит к хрупкому разрушению в условиях на­ гружения при комнатной температуре. Поэтому в качестве дополни­ тельного средства для перевода материала из пластического состоя­ ния в хрупкое используется охлаждение образцов перед испытанием. При устранении заметных признаков пластической деформации, предшествующей разрушению, значение коэффициента интенсивности напряжений k lc становится наименьшим.

По одним утверждениям [57], при широком изменении условий испытаний (плоская деформация, плоское напряженное состояние, кольцевые трещины на цилиндрическом образце и т. д.) обнаружи­ вается поразительное соблюдение постоянства значения k lc. Однако, по другим данным, имеются большие расхождения в величине k lc, установленной разными исследователями для одного и того же мате­ риала [57]. Вместе с тем признается, что в качестве паспортной ха­

102

рактеристики, свидетельствующей о сопротивлении материала пере­ ходу из пластического состояния в хрупкое, k lc подходит более, чем другие характеристики, особенно если учесть, что встречаются слу­ чаи, когда испытания на ударную вязкость стандартных надрезан­ ных образцов не выявляют признаков, позволяющих объяснить ава­ рийные ситуации в условиях эксплуатации конструкций. Из пред­ ставленных результатов научных разработок, не лишенных проти­ воречий, следует, что, по одним утверждениям, характеристика k lc настолько разработана, что ее можно рассматривать как основу рас­ чета, по другим — указанная характеристика может служить лишь для сравнения свойств, свидетельствующих о надежности конкури­ рующих материалов при работе их в составе эксплуатируемых кон­ струкций.

§ 31

Оценка сопротивления хрупкому разрушению по экспериментальным и практическим данным

Для определения величины сопротивления хрупкому разрушению предложено несколько методов, разработан­ ных разными исследователями. Основой всех методов служит приме­ нение средств, повышающих сопротивление материала эксперимен­ тального образца пластической деформации, с расчетом на то, чтобы хрупкое разрушение опережало развитие текучести или происхо­ дило на ранней стадии пластической деформации. К таким средствам относятся охлаждение, высокоскоростное деформирование и возбу­ ждение объемного растяжения с помощью надреза или другого спо­ соба сдерживания пластической деформации. С применением первых двух средств возрастает предел текучести материала при неизменном значении сопротивления отрыву, чему соответствует снижение харак­

теристики уотр = . В случае испытаний гладких образцов на

осевое растяжение, когда параметр жесткости напряженного состоя­ ния Yj имеет значение единицы, хрупкое разрушение происходит

Т

тогда, когда уоТр <: 1. Если же еще воспользоваться возбуждением объемного растяжения, то параметр жесткости напряженного состоя­ ния у j оказывается больше единицы. Это облегчает достижение усло-

Т

вия хрупкого разрушения YOTp^ Y i > поскольку для указанного

т

разрушения потребуется не столь сильное охлаждение или повыше­ ние скорости деформирования, как при осевом растяжении.

Наибольшее распространение получил метод определения со­ противления хрупкому разрушению, предложенный Н. Н. Давиденковым. Согласно этому методу испытываются гладкие образцы на осевое растяжение или на изгиб. Условие хрупкого разрушения уотр ^ 1

103

достигается охлаждением образцов до температуры ниже критичес­ кой. По методу Н. Н. Давиденкова можно найти экспериментально сопротивление отрыву многих конструкционных сталей, используя охлаждение до температуры кипения жидкого азота, составляющей

—196° С или 77 К. Однако гладкие образцы из некоторых специаль­ ных сталей, а также из многих чистых металлов и нежелезных спла­ вов не разрушаются хрупко даже при охлаждении до еще более низких температур, в частности до температур жидкого водорода (20 К) и. жидкого гелия (4 К). Результаты испытаний гладких образцов на растяжение в условиях глубокого холода, по данным на­ ших и зарубежных исследователей, приведены в публикации [65]. Для сталей углеродистых и легированных, разрушавшихся при охлаждении хрупко без заметной остаточной деформации, сопротив­ ление отрыву составляло от 80 до 140 кгс/мм2.

Экспериментальные значения сопротивления отрыву обычно имеют значительное рассеяние. Это свидетельствует о случайном характере хрупкого разрушения и о целесообразности статистичес­ кой обработки данных эксперимента. Из-за рассеяния значений со­ противления отрыву Е. М. Шевандин счел необходимым определять его по данным серийных испытаний от 16 до 35 гладких образцов равного диаметра [72]. Исследуемым материалом служило фосфо­ ристое железо (0,11% С и 0,52% Р), гладкие образцы из которого

для образцов большего диаметра, чем меньшего. При этом оказалось, что могут встречаться случаи, когда сопротивление материала образца меньшего диаметра становится меньше, чем образца боль­ шего диаметра, что затрудняет оценку отрицательного влияния мас­ штабного эффекта. Однако это затруднение отпадает, если брать зна­ чения сопротивления отрыву, соответствующие наибольшей частоте, что представляет собой математическое ожидание, близкое к среднему значению рассматриваемого случайного сопротивления отрыву. Эти сопротивления представлены графически в зависимости от диаметра гладких образцов (рис. 79, в) и отчетливо свидетельствуют о снижаю­ щем влиянии масштабного эффекта в пределах охваченных разме­ ров. Как показывает рисунок, кривые сопротивления отрыву для изгиба (кривая 1) располагаются выше, чем для растяжения (кри­ вая 2). Различие значений сопротивления отрыву обусловлено раз­ ными распределениями напряжений по сечению образцов при иссле­ дованных деформациях; при растяжении напряжения равномерны, а при изгибе изменяются линейно, достигая максимума в крайних волокнах. Поэтому вероятность встречи очагов, провоцирующих хрупкое разрушение, при изгибе меньше, чем при растяжении.

Г. В. Ужик [65] разработал метод определения сготр при растя­ жении круглых образцов с кольцевым надрезом, возбуждающим

104

местное объемное растяжение при сдерживании пластической де­ формации. Сопротивление отрыву при этом методе находится как напряжение от предельной силы в опасной точке согласно аналити­ ческому решению. Г. В. Ужик приводит значения сопротивлений отрыву, установленные разработанным им методом на круглых образ­ цах диаметром до 18 мм с кольцевым надрезом. Исследуемыми мате­

риалами служили сталь марки 45 с сгв = 62 кгс/мма и хромоникеле­ вая сталь с ств = 140 кгс/мм2. Сопротивление отрыву для углероди­ стой стали оказалось равным 120—130 кгс/мм3, а для хромоникелевой стали 315—340 кгс/мм2.

Л. М. Качанов и А. Л. Немчинский рекомендовали для опре­ деления хрупкой прочности конструкционной стали проводить испы­ тание на разрыв тонкого слоя исследуемой стали, вваренного меж­ ду торцами высокопрочных цилиндрических стержней, и предложили аналитическое решение для расчета напряжения. А. Л. Немчинский определял сопротивление отрыву на гладких образцах с поперечной прослойкой из мягкой стали [51 ]. Диаметр образцов составлял от 3

|05

до 15 мм. При уменьшении толщины прослойки до V45 диаметра ли­ нейная остаточная деформация снижалась до 0,01%, а разрушение оказывалось хрупким с характерным кристаллическим изломом даже в условиях комнатной температуры и при нагреве до 160° С. Сопро­ тивление отрыву составляло 86 кгс/мм2 при комнатной температуре и 103 кгс/мм2 при охлаждении до —190° С. Влияния масштабного эффекта не наблюдалось.

Рассмотренными методами сопротивление отрыву, как указыва­ лось, определялось на сравнительно небольших образцах со шлифо­ ванной поверхностью. Поэтому на них не обнаруживалось отрица­ тельного влияния масштабного эффекта и шероховатости, свойствен­ ной поверхности прокатных листов и профилей. Вследствие этого сопротивления отрыву, найденные экспериментально, оказались довольно высокими. При работе стали в составе конструкций хруп­ кое разрушение наступает, по-видимому, при значительно меньших напряжениях. В этом можно убедиться, если проанализировать прак­ тические данные по хрупкому излому элементов конструкций. Для этого необходимо располагать сведениями о пределе текучести при критической температуре, а также значением параметра жесткости напряженного состояния в зоне излома. Тогда, руководствуясь

4

По опубликованным данным [8], имел место хрупкий излом ши­ роких полос как пластин, изогнутых по цилиндрической поверх­ ности в направлении наименьшей жесткости. Поверхность полос после проката не обрабатывалась. В указанном случае, согласно табл. 2, Yj = 1,13. Излому предшествовала небольшая плаетичес-

7

кая деформация, при которой напряжения изгиба примерно равня­ лись пределу текучести. В одном случае сломались хрупко полосы шириной 450 мм и толщиной 16 мм из углеродистой стали с пределом текучести до 23 кгс/мм2. Для этой стали сопротивление хрупкому разрушению по расчету аотр = 1,13-23 = 26 кгс/мм2. В другом случае сломались полосы шириной 250 мм и толщиной 42 мм из мар­ ганцовистой стали с пределом текучести 32 кгс/мм2. Для этой стали сопротивление хрупкому разрушению по расчету сготр = 1,13-32 = = 36 кгс/мм2.

Сопротивления хрупкому разрушению, рассчитанные для практи­ ческих случаев разрушения углеродистой и марганцовистой сталей на прокатных листах с необработанной поверхностью, составлявшие 26 и 32 кгс/мм2, оказались значительно ниже ранее рассмотренных сопротивлений отрыву лабораторных образцов, составлявших от 80 кгс/мм2 для углеродистой стали до 340 кгс/мм2 для хромоникеле­ вой стали. Низкие сопротивления хрупкому разрушению можно объяснить микроконцентрацией напряжений на необработанной по­ верхности проката, а также снижающим влиянием масштабного эффекта, поскольку размеры поперечного сечения сломавшихся

106