Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Критерии и микромеханизмы хрупкого разрушения сталей (Литературный обзор) 14
I. I. Критерии хрупкого разрушения 14
1.1.1. Критерий Гриффитса , 14
1.1.2. Критерий Орована 15
1.1.3. Критерий Ирвина 16
1.1.4. Синергетические критерии разрушения 19
1.1.5. Критическая температура хрупкости 20
1.1.6. Сопротивление отрыву R^ 25
1Л .7. Сопротивление микросколу RMC 26
1.1.8. Максимальное локальное растягивающее напряжение а^ 27
1.1.9. Энергия активации процесса разрушения 33
1.2. Микромеханизмы хрупкого разрушения 34
1.2.1. Механизмы зарождения микротрещин .36
1.2.2. Механизмы докритического подрастания микротрещин 41
1.2.3. Микромеханизмы роста трещин 44
1.2.4. Классификация микромеханизмов разрушения по фрактогра-фическому признаку 45
1.3. Выводы по главе 1 48
1.4. Цель и постановка задачи исследования 49
Глава 2 Обоснование выбора материалов, проводимых исследований. методика экспериментов 50
2.1. Материалы для исследований и условия их получения 50
2.1.1. Выплавка сталей, химический состав, режимы термической обработки 50
2.1.2. Изготовление образцов для исследования 52
2.1.3. Термическая обработка 53
2.2. Проводимые исследования и методики экспериментов 53
2.2.1. Испытания на статический трехточечный изгиб 54
2.2.2. Методика определения критических локальных растягивающих напряжений aKp перед надрезом 59
2.2.3. Методика определения критических параметров разрушения перед различными концентраторами напряжений 63
2.2.4. Структурные и фрактографические исследования 65
2.4. Выводы по главе 2 65
Глава 3. Параметры хрупкого разрушения сталей в зависимости от температуры и скорости деформации 66
3.1. Два подхода к процессу разрушения в области вязко-хрупкого перехода 66
3.1.1. Достижение критических значений локальных напряжений. 67
3.1.2. Термически-активируемый процесс разрушения. 68
3.2. Темпсратурно-скоростные зависимости характеристик разрушениясталей 69
3.2.1. Определение критической температуры хрупкости Ткр и критического прогиба образцов fKp 73
3.2.2. Определение критического локального растягивающего напряжения OYp 79
3.2.3. Определение характеристического расстояния ДХ и критического локального напряжения акр(ДХ) 84
3.2.4. Вычисление энергии активации 84
3.3 Изменение параметров хрупкого разрушения сталей в зависимостиот скорости деформации 87
3.4. Две стадии хрупкого разрушения и их критерии 89
3.5. Температурные параметры разрушения в области вязко-хрупкого перехода 94
3.5.1.Критические температуры в области вязко-хрупкого перехода 94
3.5.2. Температурные зоны вязко-хрупкого перехода 99
3.6. Выводы по главе 3 100
Глава 4. Влияние температуры на работу зарождения трещины в условиях плоского напряженного состояния и плоской деформации при увеличении толщины образцов 101
4.1. Составляющие общей работы разрушения образцов 101
4.1.1.Зоны плоского напряженного состояния и плоской деформацииции. 101
4.1.2. Характеристики изломов и их зависимости от температуры испытания и толщины образцов 102
4.2. Экспериментальное исследование влияния температуры и толщины образцов на составляющие работы зарождения трещины... 103
4.2.1. Изменение утяжки под надрезом при испытании образцов на статический изгиб 104
4.2.2. Составляющие работы зарождения трещины, соответствующие зонам плоской деформации и плоского напряженного состояния. 104
4.2.3. Удельные работы зарождения трещины в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния 107
4.3. Исследование поверхности изломов образцов при вязко-хрупком переходе 111
4.4. Выводы по главе 4 113
Глава 5. Практическое применение параметров вязкохрупкого разрушения сталей для управления качеством полуфабрикатов и изделий 114
5.1. Методика определения параметров вязко-хрупкого разрушения сталей 114
5.1.1. Область применения, назначение и объекты 114
5.1.2. Характеристики параметров вязко-хрупкого разрушения 115
5.1.3. Применяемое оборудование 115
5.1.4. Виды испытаний и исследований 115
5.1.5. Типы применяемых образцов 117
5.1.6. Температуры испытания 117
5.1.7. Формулы для расчета параметров вязко-хрупкого разрушения и расчетно-измеряемые величины 117
5.1.8. Оценка погрешности измерений 120
5.1.9. Вид представляемых зависимостей 120
5.2. Определение качества деформируемой стали Ст Зкп с разной величиной зерна 121
5.2.1. Параметры разрушения образцов из деформируемой стали Ст Зкп с разными размерами зерен 121
5.2.2. Определение критической температуры хрупкости Т,ф и критического прогиба 122
5.2.3. Расчет критического локального растягивающего напряжения акр и критического локального напряжения сткр(ДХ) 124
5.2.4. Вычисление характеристического расстояния ДХ и приведенного значения характеристического расстояния 127
5.3. Определение качества трубной стали Ст Зсп различных плавок127
5.3.1. Расчет параметров хрупкого, квазивязкого и вязкого разрушений в зависимости от типа концентратора напряжений 130
5.3.2. Влияние типа концентратора напряжений на работу зарождения трещины и ее составляющих 143
5.3.3. Определение работы распространения трещины 148
5.4. Определение качества литой стали 20ГЛ боковой рамы тележки грузового вагона 151
5.5. Выводы по главе 5 161
Общие выводы 163
Литература 166
Приложения 176
- Классификация микромеханизмов разрушения по фрактогра-фическому признаку
- Методика определения критических локальных растягивающих напряжений aKp перед надрезом
- Определение критической температуры хрупкости Ткр и критического прогиба образцов fKp
- Удельные работы зарождения трещины в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния
Введение к работе
Для обеспечения надежной работы металлических конструкций и механизмов, повышения их долговечности и предотвращения внезапного хрупкого разрушения при понижении температуры эксплуатации необходимо иметь четкое, физически обоснованное понимание явления вязко-хрупкого перехода (хладноломкости) [4, 36, 70]. Это является одной из важнейших проблем металловедения.
Наука о сопротивлении материалов разрушению развивается уже много лет. За это время накоплен большой объем сведений о природе, механизмах и критериях разрушения. В развитие этой науки внесли существенный вклад отечественные ученые: Владимиров В.И., Гуляев А.П., Иванова B.C., Копельман Л.А., Махутов 1-І.А., Морозов Е.М., Потак -Я.М., Саррак В.И., Скуднов В.А., Ужик Г.В., Финкель В.М. и многие другие.
В общей проблеме разрушения твердых тел, хрупкое разрушение занимает особое место. Это связано с тем, что в отличие от вязкого разрушения, хрупкое разрушение является наиболее опасным, так как оно обычно происходит катастрофически быстро и под действием сравнительно низких приложенных напряжений. В связи с этим, изучение микро- и макромеханизмов, а также критериев хрупкого разрушения является актуальной задачей. На рис.1 приведены, в качестве примеров, фотографии хрупкого разрушения труб по телу и в околошовной зоне.
В опубликованных монографиях и сборниках [1, 27, 30, 45, 55, 66, 71, 89, 92] достаточно широко освещены вопросы физики и механики разрушения. И хотя первой физической модели А.Гриффитса [ПО], объяснившей низкую реальную прочность материалов, уже более восьмидесяти лет, до настоящего времени пока еще нет четкого физического представления о природе и кинетике процесса разрушения, в том числе и хрупкого. Значительную роль в развитии классической теории хрупкого разрушения сыграли работы отечественных ученых, академиков А.Ф.Иоффе и Н.Н.Давиденкова.
в
Рис.1. Примеры хрупкого разрушения труб: а, б - по телу трубы; в, г - в околошовной зоне
Они впервые объяснили явление вязко-хрупкого перехода и выявили решающую роль температуры в процессе хрупкого разрушения.
Большинство современных физических теорий хладноломкости связывают это явление со структурой и свойствами металла и в основном с причинами увеличения предела текучести при понижении температуры. Однако реально вязко-хрупкий переход сильно зависит от геометрии образцов, концентраторов напряжений, скорости деформации, давления и т.д.
Поэтому исследование перехода характера разрушения металлов с ОЦК-решеткой от вязкого к хрупкому, влияние внешних условий на этот переход, поиск новых параметров и оценка существующих подходов к процессу разрушения является актуальным для понимания физической природы разрушения и имеет большое практическое значение.
Известно, что хрупкость и пластичность не есть неизменные свойства материалов, а являются лишь состояниями, в которых материалы могут находиться в зависимости от таких факторов, как температура, скорость деформации, наличие концентраторов напряжений, давление, размер зерна и т.д. Поэтому, строго говоря, речь должна идти о хрупком или пластичном состоянии материалов, а не о хрупких или пластичных (вязких) материалах [61]. Обычно [77] исследования хрупкого разрушения металлов и сплавов проводятся в следующих основных направлениях: макроскопические закономерности разрушения, структурное состояние и склонность к хрупкому разрушению и атомный механизм разрушения.
Еще в 1935 году Л.В.Степановым [93] была выдвинута концепция о зависимости процессов пластической деформации и разрушения. Па протяжении всех последующих лет многочисленными экспериментами подтверждено, что вязкому и хрупкому разрушению всегда предшествует соответственно большая или меньшая пластическая деформация. Так, склонность к хрупкому разрушению О.Ц.К.-металлов определяют подвижностью дислокаций и
сопротивлением возникновению хрупкой трещины, а также неравномерным распределением напряжений в месте зарождения трещины [88].
Исходя из вышеизложенного, актуальность темы диссертации состоит в том, что до настоящего времени не существует общепринятой теории перехода характера разрушения металлов с ОЦК-решеткой от вязкого к хрупкому, а также физически обоснованных количественных характеристик, связанных со структурой, позволяющих оценивать склонность различных металлов сопротивляться хрупкому разрушению. Следовательно, разработка новых методов определения склонности металлов и сплавов к хрупкому разрушению и определение его параметров является актуальной задачей.
Особенно важное значение это имеет для трубных сталей, работающих в условиях низких температур и высоких давлений, а также литых деталей (в частности боковых рам грузовых вагонов), испытывающих значительные знакопеременные нагрузки и эксплуатирующихся при отрицательных температурах. В настоящее время наибольшее распространение получили критерии трещиностоикостн металлических материалов, характеризующие стадию распространения трещины - вязкость разрушения и т.п. Вместе с тем хорошо известно, что большое число случаев практической эксплуатации металлических материалов предполагает в качестве критической, стадию зарождения трещины перед концентратором напряжений с виде надреза.
Поэтому в настоящей работе предложены новые критерии зарождения разрушения на основе анализа напряженного состояния перед надрезом. Учитывалось распределение зон плосконапряженного состояния и плоской деформации перед надрезом.
Разработка механической модели связи трещиностоикостн трубных сталей с их структурой является многоплаЕювой задачей. Это связано с тем, что трубопроводы эксплуатируются не только в широком диапазоне температур, но и при больших давлениях. Для решения этой задачи в первую очередь требуется обоснованный выбор критерия разрушения трубных сталей.
10 В настоящее время о надежности металла для трубопроводов судят по величине ударной вязкости при температуре эксплуатации и по результатам испытаний крупномасштабных образцов падающим грузом. Испытания на трещи постой кость (вязкость разрушения) не нашли широкого применения в связи с тем, что в условиях эксплуатации трубопроводов не реализуется условие плоского деформированного состояния.
В связи с этим, в данной работе применительно к металлу для трубопроводов, свойство трещи но стой кости рассматривается в широком смысле слова, с учетом стадий зарождения и развития трещины. Кроме того, особое внимание уделяется силовому критерию, который позволял бы в перспективе перейти к расчетным методам оценки надежности трубопроводов на основе допустимых уровней напряжений. Для учета влияния температуры и скорости нагружения потребуется применение термодинамического критерия.
Таким образом, большой научный и практический интерес представляет исследование микромеханизмов и применимости различных критериев оценки разрушения конструкционных сталей.
Научная новизна работы заключается в том, что
Объединены три подхода к процессу вяз ко-хруп кого разрушения сталей: термодинамический, силовой и синергетический. Показано, что процесс хрупкого разрушения происходит в две стадии. На первой стадии разрушения в области концентрации напряжений происходит микропластическая деформация, характеризующаяся эффективной энергией активации. На Еїторой стадии достигается локальная прочность - критическое локальное растягивающее напряжение окр, образуется зародыш магистральной трещины и происходит ее рост.
Установлено, что зарождение трещины в области вяз ко-хруп кого перехода зависит от вида напряженного состояния, возникающего перед концентратором напряжений. Разработана новая методика разделения работы зарождения трещины на составляющие и определены удельные работы за-
рождения трещины в області! плоского напряженного состояния и плоской деформации в зависимости от температуры испытания.
Впервые установлены закономерности и показано влияние условий испытания на критические значения параметров разрушения, зависящих от структурного состояния сталей.
Определены и экспериментально подтверждены изменение критических температур хрупкости и температурных интервалов вязко-хрупкого разрушения литой и деформированных сталей в зависимости от типа концентратора напряжений (трещина, острый и тупой надрезы), от скорости деформации и других факторов при испытаниях на изгиб.
Установленные закономерности и теоретическое обоснование механизма зарождения трещины, позволяют прогнозировать работу зарождения трещины в упруго-пластической зоне перед концентратором напряжений от температуры испытания и типа концентратора напряжений.
Практическая ценность данной работы заключается в использовании полученных результатов исследований для выбора литых и деформированных сталей с требуемым уровнем механических свойств для различных изделий машиностроения, работающих в области низких температур, высоких давлений и больших нагрузок, обеспечивающих надежность и долговечность машин и металлических конструкций.
Разработанная методика применения новых параметров вязко-хрупкого разрушения сталей может быть внедрена для практического решения вопросов управления качеством изделий на предприятиях черной металлургии, трубопрокатного производства, тракторного и вагонного машиностроения и других отраслях народного хозяйства.
Исходя из этого, по результатам данных исследований на защиту выносятся следующие основные положения:
Силовой, термодинамический и синергетический подходы к вязко-хрупкому разрушению сталей.
Модель двухстадийного процесса хрупкого разрушения. Термодинамический и силовой критерии хрупкого разрушения сталей.
Методика разделения работы зарождения трещины на составляющие и ее прогнозирование в зависимости от геометрии образцов и внешних условий при испытании на трехточечный изгиб.
Выявленные закономерности изменения критических температур хрупкости и температурные интервалы значений вязко-хрупкого перехода, в зависимости от условий испытания, подтверждены микромеханизмами разрушения.
Влияние внешних и внутренних условий на изменения новых параметров и характеристик разрушения сталей в области вязко-хрупкого перехода.
Практическая методика применения параметров вязко-хрупкого разрушения сталей.
Основные результаты настоящей диссертации отражены в следующих работах [78-87, 101-104].
Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории физической природы хрупкости и разрушения металлических материалов ИМФ ЦНИИчермет им.И.П.Бардина, на Всесоюзной научно-технической конференции «Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов» (г.Ижевск, 27-29 ноября 1984 г.), на V Республиканской конференции «Физика разрушения» (г.Черновцы, 21-23 мая 1985 г.), на научно-технической конференции «Методы оценки и пути повышения трещино-стойкости и надежности труб, трубопроводов и сосудов давления» (г.Челябинск, 1-4 октября 1985 г.), на II Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения «Трещи постой кость материалов и элементов конструкций» (г.Житомир, 15-17 октября 1985 г.), на семинаре «Новые достижения в области металловедения и термической обработки стали» (г.Киев, 4-6 марта 1986 г.), на II Всесоюзной конференции «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» (г.Житомир, 16-18 сентября 1986 г.), на семи-
паре «Металловедческие вопросы прочности и хрупкости стали» (г.Киев, 3-5 февраля 1987 г.), на конференции «Проблемы разрушения металлов» (г.Москва, 20 апреля 1987 г.), на 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г.Санкт-Петербург, 14-16 апреля 2003 г.), на IX Международной научно-технической конференции «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (г.Запорожье, 23-26 сентября 2003 г.), на научных семинарах кафедры «Технологии металлов и литейного производства» ЧувГУ, на заседаниях кафедр ФМ иВТ ІІГТУ.
Работа выполнена в Чувашском государственном университете им.И.Ї-LУльянова и в Нижегородском государствен!гом техническом университете.
Тематика и содержание данной работы была выбрана в соответствии с заданием Технического управления Министерства черной металлургии в рамках выполнения этапа «Разработка механической модели связи трещино-стойкости со структурой и текстурой; методика их учета при оценке надежности трубопроводов» целевой комплексной программы «Создание и освоение технологических процессов и технические средства, обеспечивающие повышение качества строительства и надежности эксплуатации магистральных газо- и нефтепроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями».
Автор искренне признателен за научное руководство, поддержку и практическую помощь при подготовке настоящей диссертации профессорам,
докторам технических наук В .И. Сарраку] и Е.А.Чернышову.
Глубокую благодарность автор выражает профессору, доктору технических наук, академику МАНИ Чувашской Республики В.А.Скуднову за проведенные консультации, обсуждение полученных результатов и ценные рекомендации, которые оказали неоценимую помощь при написании данной диссертации.
Классификация микромеханизмов разрушения по фрактогра-фическому признаку
Практическая ценность данной работы заключается в использовании полученных результатов исследований для выбора литых и деформированных сталей с требуемым уровнем механических свойств для различных изделий машиностроения, работающих в области низких температур, высоких давлений и больших нагрузок, обеспечивающих надежность и долговечность машин и металлических конструкций.
Разработанная методика применения новых параметров вязко-хрупкого разрушения сталей может быть внедрена для практического решения вопросов управления качеством изделий на предприятиях черной металлургии, трубопрокатного производства, тракторного и вагонного машиностроения и других отраслях народного хозяйства.
Исходя из этого, по результатам данных исследований на защиту выносятся следующие основные положения: Силовой, термодинамический и синергетический подходы к вязко-хрупкому разрушению сталей. Модель двухстадийного процесса хрупкого разрушения. Термодинамический и силовой критерии хрупкого разрушения сталей. Методика разделения работы зарождения трещины на составляющие и ее прогнозирование в зависимости от геометрии образцов и внешних условий при испытании на трехточечный изгиб. Выявленные закономерности изменения критических температур хрупкости и температурные интервалы значений вязко-хрупкого перехода, в зависимости от условий испытания, подтверждены микромеханизмами разрушения. Влияние внешних и внутренних условий на изменения новых параметров и характеристик разрушения сталей в области вязко-хрупкого перехода. Практическая методика применения параметров вязко-хрупкого разрушения сталей. Основные результаты настоящей диссертации отражены в следующих работах [78-87, 101-104].
Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории физической природы хрупкости и разрушения металлических материалов ИМФ ЦНИИчермет им.И.П.Бардина, на Всесоюзной научно-технической конференции «Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов» (г.Ижевск, 27-29 ноября 1984 г.), на V Республиканской конференции «Физика разрушения» (г.Черновцы, 21-23 мая 1985 г.), на научно-технической конференции «Методы оценки и пути повышения трещино-стойкости и надежности труб, трубопроводов и сосудов давления» (г.Челябинск, 1-4 октября 1985 г.), на II Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения «Трещи постой кость материалов и элементов конструкций» (г.Житомир, 15-17 октября 1985 г.), на семинаре «Новые достижения в области металловедения и термической обработки стали» (г.Киев, 4-6 марта 1986 г.), на II Всесоюзной конференции «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» (г.Житомир, 16-18 сентября 1986 г.), на семи паре «Металловедческие вопросы прочности и хрупкости стали» (г.Киев, 3-5 февраля 1987 г.), на конференции «Проблемы разрушения металлов» (г.Москва, 20 апреля 1987 г.), на 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г.Санкт-Петербург, 14-16 апреля 2003 г.), на IX Международной научно-технической конференции «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (г.Запорожье, 23-26 сентября 2003 г.), на научных семинарах кафедры «Технологии металлов и литейного производства» ЧувГУ, на заседаниях кафедр ФМ иВТ ІІГТУ.
Работа выполнена в Чувашском государственном университете им.И.Ї-LУльянова и в Нижегородском государствен!гом техническом университете.
Тематика и содержание данной работы была выбрана в соответствии с заданием Технического управления Министерства черной металлургии в рамках выполнения этапа «Разработка механической модели связи трещино-стойкости со структурой и текстурой; методика их учета при оценке надежности трубопроводов» целевой комплексной программы «Создание и освоение технологических процессов и технические средства, обеспечивающие повышение качества строительства и надежности эксплуатации магистральных газо- и нефтепроводов в районах со сложными природно-климатическими условиями».
Автор искренне признателен за научное руководство, поддержку и практическую помощь при подготовке настоящей диссертации профессорам, докторам технических наук В .И. Сарраку] и Е.А.Чернышову. Глубокую благодарность автор выражает профессору, доктору технических наук, академику МАНИ Чувашской Республики В.А.Скуднову за проведенные консультации, обсуждение полученных результатов и ценные рекомендации, которые оказали неоценимую помощь при написании данной диссертации.
Методика определения критических локальных растягивающих напряжений aKp перед надрезом
Можно рассчитать критическую длину дислокационного скопления и критическое число дислокация в нем. Найденное таким образом число дислокаций в скоплении порядка 100 [2]. Такое количество дислокаций при выходе на поверхность кристалла должно было бы образовать ступеньку величиной порядка сотен А, что хорошо совпадает с экспериментальными результатами определения величины ступенек скольжения на ряде металлов,
В металлах с о.ц.к.-решеткой трещина может образоваться по механизму, предложенному Коттреллом (рис. 1.7,6). В этом случае в растягиваемом образце дислокации с векторами Бюргерса — [ЇЇ1] и —[111] скользят в пересекающихся плоскостях (101) и (101). ПргГвстрече этих дислокаций возникает новая, расположенная в плоскости (001):
Результирующая дислокация обладает пониженной энергией и является сидячей краевой дислокацией. Многократное повторение этого взаимодействия приводит к образованию зародышевой микротрещины. В отличие от модели Стро, препятствием, запирающим полосу скольжения, по Кот-треллу, является дислокация, образованная при пересечении дислокаций в плоскостях скольжения (т. е. путем слияния 2-х обычных дислокаций скольжения). Этот механизм зарождения микротрещины не предполагает существования в структуре таких прочных препятствий, как межфазные іраницьі или границы зерен и, следовательно, может привлекаться при исследовании зарождения хрупкого разрушения в монокристаллах чистых металлов. В этом механизме препятствия (барьеры), дислокационные скопления и» наконец, трещины образуются в результате пластической деформации [44].
Процессы образования двойников, как один из механизмов пластической деформации, и их взанмодеіїствия играет важную роль в зарождении хрупкого разрушения. Часто зарождение микротрещины наблюдается в месте встречи двойника деформации с каким-либо прочным барьером, например, границей зерна или другим двойником (рис.1.7,г). Особенно благоприятные условия для зарождения микротрещин создаются при встрече растущего двойника деформации с ранее образовавшимся, для которого было характерно другое направление двойникования (рис,1.7,д). В этом случае концентрация напряжений в месте встречи особенно велика.
Возникновению микротрещин в связи с двойниковаиием способствует высокая скорость роста двойников, что ограничивает время для пластической релаксации высоких напряжений, образующихся при встрече двойника с каким-либо прочным барьером. В [62] отмечается, что в отожженных и нормализованных сталях, деформированных при низкой температуре или при высоких скоростях деформации, где двойникование является преобладающим механизмом пластической деформации, двойники могут действовать как потенциальные концентраторы напряжений при зарождении микротрещин в хрупких карбидах. Там же говорится, что разрушение, вызванное двойникованисм, не имеет место при Т 150 К даже в крупнозернистой низ-коуглеродпетоп стали, если скорости деформации малы. Если происходит ударное нагружение, то зарождение разрушения сколом при комнатной температуре можно связать с двойникованисм. Тем не менее, двойникование часто связывают и с распространением трещин, так как перед движущейся с ускорением вершиной возникают очень высокие скорости деформации.
Рассмотренная выше модель зарождения трещины Коттрелла, подчеркивает роль растягивающих напряжений и объясняет влияние размера зерна (сГ1/2) и параметров текучести (напряжение сдвига ту и постоянной Ksy, связанной с закреплением дислокации) на разрушение. Упрочнение различными методами должно облегчать хрупкое разрушение сколом, так как повышает величину растягивающих напряжений в точке текучести. Но при этом не учитывается один важный фактор. В работе [114] показано, что при испытании образцов на растяжение при низких температурах имеющих идентичные характеристики текучести, но содержащие карбиды различной величины, получаются разные характеристики разрушения: грубые карбиды облегчают скол, а дисперсные способствует вязкому разрушению материала.
Поэтому E. Смит [118] предложил модель разрушения сколом, которая учитывает влияние карбидных частиц. На рис.1.7,е изображен случай, когда хрупкая карбидная прослойка шириной С0, расположенная на границе зерна, подвергается воздействию напряжения, сосредоточенного перед фронтом скопления дислокации длиной d. Ко всей системе приложено напряжение с. Здесь предполагается, что работа, требуемая для распространения трещины из карбида в ферритную матрицу недеформированного зерна (эффективная поверхностная энергия ур - обозначена на рис.1.7,е цифрой 2), превышает величину поверхностной энергии карбида ус (обозначена на рис.1.7,е цифрой 1). Эта модель подчеркивает важность не только параметров текучести и размера зерна, но и толщины карбидных прослоек, и показывает, что грубые карбиды приводят к низким разрушающим напряжениям. На практике мелкозернистая структура имеет обычно тонкие карбидные прослойки, поэтому значения разрушающих напряжений оказываются высокими.
Еще одним из механизмов зарождения микротрещины может быть явление зернограничного проскальзывания (рис.1.7,ж). Здесь следует отметить, что при изучении поведения границ необходимо иметь данные о содержании примесей в них, поскольку перераспределение примесей в окрестностях границы и в ней самой может оказаться решающим фактором, способным коренным образом менять механизм разрушения. Таким образом, рассмотренные выше микромеханизмы тре щи но образования, носят дислокационные характер и предполагают протекание пластической деформации.
Определение критической температуры хрупкости Ткр и критического прогиба образцов fKp
Многочисленными экспериментами установлено, что условия перехода характера разрушения металлов и сплавов от вязкого к хрупкому существенно зависят не только от их внутреннего строения (состава, структуры и термической обработки), но и от внешних факторов (температуры испытания, скорости деформации, размеров образцов и наличия концентраторов напряжений). Понижение температуры испытания, увеличение скорости деформации, наличие концентраторов напряжений и другие факторы, способствует охрупчиваншо металлов и сплавов. Это связано с увеличением стесненности пластической деформации [4], то есть при этом происходит уменьшение способности материалов к пластической деформации. В результате этого наблюдается переход от плосконапряженного состояния к плоско деформированному или от вязкого к хрупкому характеру разрушения.
Склонность к хрупкому разрушению определяется подвижностью дислокации и неравномерным распределением напряжений в месте зарождения трещины [88]. Последнее, в частности, имеет место при испытании образцов с надрезами на изгиб в области перед концентратором напряжений, где в результате перераспределения напряжений образуется малая упруго-пластическая зона, и, возникающие локальные напряжения в ней, могут превысить предел текучести материала [62].
Представляет интерес провести изучение влияния температуры испытания и скорости деформации на характер и параметры разрушения сталей в области вязко-хрупкого перехода.
Два подхода к процессу разрушения в области вязко-хрупкого перехода В настоящее время применяют различные критерии, позволяющие качественно и количественно сравнивать склонность к хрупкому разрушению разных металлов и сплавов. Эти критерии зависят не только от внутреннего строения материалов, но и от внешних факторов.
Если рассматривать физический подход к явлению разрушения металлов и сплавов, то в своей основе он всегда имеет какой-либо элементарный физический акт - либо акт разрыва межатомных связей, либо элементарный акт пластической деформации [11, 71]. То есть считается общепризнанным, что разрушение конструкционных материалов обусловлено локальными физическими процессами. Существуют разные подходы к описание явления вязко-хрупкого перехода. Ниже рассмотрим два из них.
Изучение сущности хрупкого разрушения позволило выявить новые характеристики металлов, отражающие микроскопическую прочность структуры при хрупком разрушении. При увеличении нагрузки на образец в нем вначале развивается упругая деформация, которая сопровождается упругим выгибанием отдельных дислокаций, изменением расстояния между атомами в кристаллической решетке. Далее уже происходит движение дислокаций и образование новых. При этом совместно с упругой, начинается пластическая деформация. В результате повышения напряжения, увеличения плотности и движения дислокаций, а также их взаимодействия происходит образование зародыша трещины [9].
Е.Орован впервые предложил подход [115], заключающийся в том, что хрупкое разрушение наступает тогда, когда локальные растягивающие напряжения в области зарождения трещины достигают критического значения акр. Модель Орована подчеркивает важность влияния растягивающих напряжений на развитие хрупкого разрушения. Эти локальные растягивающие напряжения вызваны приложенной нагрузкой и концентрацией напряжений в упруго-пластической области перед надрезом. Кроме этого, увеличение уровня локальных растягивающих напряжений зависит от геометрии надреза образца, увеличения скорости деформации, а также предела текучести при понижении температуры [39, 55]
Данная величина скр является силовым критерием хрупкого разрушения и не зависит от скорости деформации, температуры испытания и вида напряженного состояния. Она, согласно [53], является фундаментальной характеристикой и может служить физическим критерием хрупкости и прогнозировать работоспособность материала в конструкции.
С другой стороны, в работе [10] при исследовании влияния скорости деформации на хладноломкость стали было установлено и экспериментально подтверждено, что критическая температура хрупкости TVp, характеризующая переход от вязкого характера разрушения к хрупкому, зависит от скорости деформации є. Эта зависимость подчиняется уравнению Лррениуса:
На этом основании можно сделать заключение, что разрушение является термически активируемым процессом [3].
В работах [30, 73] переход от вязкого к хрупкому характеру разрушения связывается с изменением энергии активации процесса пластической деформации и это отражается на критериях и механизмах процесса разрушения.
Независимо от температуры испытания при увеличении скорости деформации происходит повышение предела текучести ат. При этом, как отмечается в [62] уменьшается время, необходимое для термически активируемых процессов, которые понижают напряжения скольжения дислокаций в матрице.
Поэтому целесообразно изучить кинетические закономерности термически активируемого процесса разрушения сталей - физических причин термически активированного зарождения трещины и описание процесса зарождения трещины с позиций кинетической теории.
В связи с вышеизложенным, целью данной главы являлось изучение таких параметров хрупкого разрушения низколегированных сталей, которые не зависят от температуры испытания и скорости деформации. Установление того, какой из двух описанных выше подходов может служить в качестве критерия хрупкого разрушения и каким стадиям хрупкого разрушения, будут соответствовать экспериментально определяемые значения акр и эффективной энергии активации Н при температурно-скоростных испытаниях образцов до разрушения, а также связи силового и термодинамического критериев при вязко-хрупком переходе.
Удельные работы зарождения трещины в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния
Следовательно, при изменении условий нагружения - скорости деформации с и температуры испытания Т - в локальной области, где зарождается трещина хрупкого разрушения, достигается постоянная величина акр (рис.3.17).
Ma основании вышеизложенного, можно выделить две стадии хрупкого разрушения: стадию м икр о пласти ческой деформации до достижения акр и стадию образования зародыша магистральной трещины. Первая стадия хрупкого разрушения - образование упруго-пластической области перед надрезом и создание в ней "критической" степени пластической деформации (перенапряжения Q) до достижения значения сгкр - является термически активируемым процессом. Как показано ранее, сдвиг Ткр является следствием смещения кривой ( (Т) при изменении є. Поэтому определяемую при тем-пературно-скоростных испытаниях эффективную энергию активации 1-І можно трактовать как энергию активации микропластической деформации, которая предшествует образованию зародыша хрупкой магистральной трещины.
Второй стадией хрупкого разрушения является процесс образования зародыша магистральной трещины и его силовым критерием, согласно, уравнению (3.4), будет величина акр, которая не зависит от є и Т. Критерий критического локального растягивающего напряжения окр в области температур вязко-хрупкого перехода на зависит от вида напряженного состояния и от температуры, которая соответствует равенству разрушающей нагрузки Рр и нагрузки общей текучести Р01.
Таким образом, исследование влияния скорости деформации и температуры испытания на сопротивление хрупкому разрушению сталей показало, что процесс перехода характера разрушения от вязкого к хрупкому определяется одновременным действием двух параметров разрушения: силового — критическое локальное растягивающее напряжение акр и терм оди нам и чес кого —энергия активации Н микропластической деформации, предшествующей хрупкому разрушению, и определяемой при критической температуре хрупкости.
Переход характера разрушения сталей от вязкого к хрупкому обычно оценивают по критической температуре хрупкости. В настоящее время существует много методик механических испытаний, определяющих критические температуры хрупкости по значениям критериальных характеристик прочности или пластичности, изменяющимся с температурой испытания [46]. Вид надреза, острота концентратора напряжений сильно влияет на значения критических температур хрупкости и другие параметры хрупкого разрушения [7, 26].
В данном разделе определены температурные параметры разрушения -критические температуры хрупкости и температурные интервалы вязко-хрупкого перехода характера разрушения сталей и их зависимость от тина концентратора напряжений.
При понижении температуры испытания образцов на изгиб можно достичь хрупкого характера разрушения. Об этом можно судить по сериальным кривым работы разрушения или ее составляющих. Температура вязко-хрупкого перехода, которая определяется из таких кривых, может является мерой сопротивления металлов и сплавов хрупкому разрушению. Существуют различные критические температуры хрупкости, которые связаны со многими определяемыми параметрами [4, 21, 26].
В данной работе, с учетом зависимостей характеристик разрушения металлов и сплавов при испытании образцов на статический трехточечный изгиб от температуры испытания, можно выделить следующие критические температуры (рис.3.18): Ткр - температура перехода от хрупкого характера разрушения к квазихрупкому, определяемая по пересечению температурных зависимостей нагрузок общей текучести Рот и разрушающих нагрузок Рр в точке Ркр и соответствующих значений прогибов образцов - f0T и fp в точке fKp. При данной температуре хрупкое разрушение образца происходит в момент достижения общей текучести [40, 41]. Нагрузка общей текучести Р - это нагрузка, при которой у основания надреза образуется пластический шарнир, в результате которого все поперечное сечение образца пластически деформируется.
При температуре Ткр утяжка В0 у концентратора напряжении, работа зарождения Aj и работа распространения Ар трещины равны нулю. Ниже этой температуры (на рис.3.18 область I) разрушение хрупкое (рис.3.19,а) и происходит оно до достижения нагрузки общей текучести Рог. Обычно такое разрушение протекает по механизму скола [62]; TXD - температура перехода от квазихрупкого разрушения к кпазивяз-кому. При этой температуре разрушающая нагрузка Рр имеет значение Рхв, а соответствующий прогиб образца - fXB. Утяжка В0 у концентратора напряжений и работа зарождения трещины А3 максимальны, а работа распространения трещины Ар= 0. При Тхв у основания надреза протекает такая пластическая деформация, которая достаточна для инициирования вязкого разрушения; Тв - температура перехода от квазивязкого разрушения к вязкому, соответствующая достижению нулю разрушающей нагрузки Рр и наибольшему значению работы распространения трещины Ар. Выше этой температуры излом полностью вязкий (область IV). Поверхность разрушения образца в этой области вяз ко-хруп ко го перехода показана на рис.3.19,г.
