3.4. Определение порога хладоломкости
Как уже отмечалось ранее, железо, сталь и металлы, и сплавы в основном с ОЦК решеткой могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т, д. порог хладноломкости может повыситься, это приведет к хрупкому разрушению.
Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур. Затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания (так называемую сериальную кривую по Н. Н. Давиденкову).
Для многих сталей на кривой зависимости KCU - t трудно определить порог хладноломкости.
Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порог хладноломкости нередко определяют по количеству волокна (В,%) матовой - волокнистой составляющей в изломе. Количество волокна в изломе определяется как отношение площади волокнистого (вязкого) излома к первоначальному расчетному сечению образца. Далее строится сериальная кривая процент волокна - температура испытания (рис.3.6). За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50 % волокна (рис.3.6), что примерно соответствует КСТ/2. Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости нередко принимают температуру, при которой в изломе имеется 90 % волокна (tgo),a ударная вязкость сохраняет высокое значение. Нередко определяют верхний ta порог хладноломкости, который отвечает 90 % волокна, и нижний tH, отвечающий 10% волокна. Порог хладноломкости (tB, tH,t50, t90) не является постоянной материала. Он зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов напряжений, размера образца и т. д. Чем выше прочность (σв, σ0,2), тем выше порог хладноломкости.
Рис. 3.6. Сериальные кривые:
В - количество волокна в изломе; tв - верхние порог хладноломкости; (tH -нижний порог хладноломкости (при более низкой температуре полностью хрупкое разрушение); t50 - условный порог хладноломкости (50 % волокна в изломе); 1 - вязкий излом; 2 - смешанный;
3 – хрупкий излом
В случае определения надежности машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая рекомендация не применять материал при температурах ниже порога хладноломкости. Нужно учитывать, что с понижением температуры снижается и величина К1с.
Для определения критической температуры по сериальным кривым допуск задания в виде KCU=const или KCU = σKCUmax (0<σ<1), под KCUmax понимают значения KCU в вязкой области, где вязкость слабо зависит от температуры. В первом случае принимают критические значения КСU=20Дж/см2, или КСU=25Дж/см2, или КСU=З0Дж/см2. соответствующую выбранному значению ударной вязкости температуру за ТКР. Во втором случае критическим значением будет то, которое составляет определенное долю оси KCUmax. Обычно σ = 0.4 (по Н.Н. Давиденкову) или 0,5 или 0,8. если порог характеризуется одной величиной, то указывают середину порога Т50.
Несмотря на условность определения ТК, эта характеристика с достаточной для инженерных целей точностью разделяет температурную шкалу на две области. При температурах ниже критической материал не может надежно работать , если действуют ударные нагрузки. При температурах выше критической надежность резко возрастает, причем, чем больше рабочая температура превышает критическую, тем меньше опасность хрупкого разрушения, которое может быть вызвано наличием более острого чем у испытуемых образцов надреза или действием других охрупчивающих факторов. В связи с этим для хладноломких металлов выше так называемый «температурный запас вязкости» ∆
∆ = (То -Тк)/ Т0 ,
где Т0-температура эксплуатации, Тк - критическая температура.