Поверхности излома

Весьма интересные результаты последовательности разрушения были получены нами при испытании на осевое растяжение прямоугольного образца стали 10ХСНД нестандартных размеров сечения (4×40 мм, фактически пластины конечной ширины). Последовательно наблюдали общую текучесть, локализованную деформацию в виде полос скольжения на поверхности, увеличение их количества. В конечной фазе у места разрушения пластическая деформация сосредоточилась в локальной области в виде двух широких пересекающихся полос деформации. С характерной областью на пересечении полос с горизонтальной площадкой (рис.7, а).

а

б

в

Рис. 7.Схема разрушения тонкой пластины конечной ширины: а – сильнодеформированная область; б – хрупкая трещина нормального разрыва; в – развитие трещины по механизму вязкого сдвига

На этой площадке реализуется плосконапряженное состояние двухосного растяжения, при котором рост хрупкой трещины происходит в очень короткий промежуток времени (практически скачек трещины) (рис.7, б). Дальнейшее разрушение более медленное сопровождается пластической деформацией.

Аналогичное разрушение имеет место при растяжении образца круглого поперечного сечения. Отличием является плоская деформация с трехосным растяжением в центре шейки и отсутствием возможности увидеть хрупкий скачек трещины.

Методы управления прочностью и влияние условий нагружения на характеристики механических свойств

Анализ зависимости σ_0,2(ρ) показывает, что повышение прочности металлов возможно либо путем снижения дефектности кристаллической решетки, либо, напротив, путем повышения плотности дефектов.

Применяют три основных метода упрочнения металлов – деформационное упрочнение, легирование и термическая, термомеханическая или химико-термическая обработки. Холодная пластическая деформация вызывает интенсивный рост плотности дислокаций (до 10¹¹... 10¹² см ^-2) и сопровождается деформационным упрочнением (наклепом), величина которого достигает (10^–3... 10^–2) G. Наклеп сохраняется при нагреве до температуры рекристаллизации.

Получаемые при легировании сплавы могут иметь однофазную, либо многофазную структуру. При образовании твердых растворов вокруг растворенных атомов происходит искажение кристаллической решетки. Возникающие упругие поля затрудняют перемещение дислокаций, в результате чего повышается предел прочности, предел текучести, твердость. При образовании твердых растворов внедрения искажения кристаллической решетки, а следовательно, и прочность существенно выше, чем для твердых растворов замещения. Твердорастворное упрочнение достигает величины σ_0,2 = 10^–3 G

Если легирование в сочетании с термической обработкой формируют в сплавах гетерофазную структуру, то упрочнение существенно возрастает. В сплавах с высокодисперсной структурой выделившиеся частицы избыточной фазы затрудняют перемещение дислокаций, что вызывает повышение прочности до 10^–2 G (дисперсионное твердение). Степень упрочнения зависит от природы выделяющейся фазы. Чем более сложную кристаллическую решетку имеет фаза-упрочнитель, чем больше она отличается от решетки матричного твердого раствора, тем больше эффект упрочнения.

Детали машин, приборов, конструкций имеют самые разнообразные размеры, геометрию и условия работы, поэтому материалы, из которых они изготовлены, должны удовлетворять разным комплексам требований. Основным требованием, предъявляемым к конструкционным материалам, является конструкционная прочность, под которой подразумевают комплекс свойств, обеспечивающих надежное выполнение рабочих функций изделия в течение всего срока эксплуатации. Конструкционная прочность — это характеристика, сочетающая критерии прочности, надежности и долговечности. В соответствии с ГОСТ 27.002-89, надежность — это свойство изделия сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции. Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния.

Конструкционная прочность изделия и определяющие её критерии зависят от выбранного материала, конструктивных особенностей детали, технологии ее изготовления и обработки, и условий эксплуатации. Для сравнительно небольшого количества простых по форме изделий, работающих при статическом нагружении, характеристиками конструкционной прочности являются предел прочности (σ_в) и предел текучести (σ_т), характеризующие сопротивление материала развитию пластической деформации. Характеристиками пластичности служат относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Для экспрессной оценки прочностных свойств в технике часто используют твердость, которая связана с прочностью. Для оценки прочности деталей, работающих при циклических нагрузках, используют предел выносливости ( ).

Для тяжелонагруженных высокопрочных изделий, деталей сложной формы, крупномасштабных конструкций конструкционная прочность определяется не столько критериями статической прочности, сколько критериями надежности. При эксплуатации таких изделий наиболее опасным является хрупкое разрушение, которое происходит при напряжениях меньше предела текучести, развивается внезапно и с большой скоростью и часто приводит к катастрофическим последствиям. Для оценки надежности недостаточно знания характеристик пластичности (δ и ψ); определяющими становятся такие характеристики, как ударная вязкость (КСU, КСV, КСТ) и вязкость разрушения (К_IС). Коэффициент К_IС связывает среднее приложенное напряжение σ с критической длиной трещины

где – форм-фактор, т.е. коэффициент, зависящий от геометрии трещины.

Вязкость разрушения определяется экспериментально на стандартных образцах с надрезом и наведенной трещиной, в условиях плоского деформированного состояния. Величина К_IС характеризует сопротивление развитию вязкой трещины: чем больше значение К_1С, тем выше надежность. Зная вязкость разрушения, можно определить максимальный безопасный размер трещины для действующих напряжений или, напротив, безопасный уровень действующих напряжений при известном размере дефекта. Общая закономерность для металлических материалов — при повышении предела текучести вязкость разрушения снижается.

Для оценки надежности необходимо знать температуру хрупко-вязкого перехода, называемую также температурным порогом хладноломкости. Это – температура, при которой вязкий механизм разрушения сменяется на хрупкий. В литературе она обозначается, как Т_Х или Т₅₀. Температура Т_Х определяется испытанием серии образцов на ударную вязкость при различных температурах. Температура, при которой в изломе образца 50 % площади приходится на вязкий излом, а 50 % — на хрупкий, и соответствует температуре хрупко-вязкого перехода. Чем ниже температура Т_Х относительно температуры эксплуатации детали, тем выше так называемый запас вязкости и тем меньше вероятность хрупкого разрушения.

Долговечность изделий обеспечивается высокой износостойкостью, сопротивлением усталостным разрушениям. Если деталь работает при повышенных температурах или в агрессивной среде, то к критериям долговечности добавляются сопротивление ползучести или коррозионная стойкость.

Таким образом, понятие «конструкционная прочность» может быть наполнено разным содержанием для материалов разного назначения, а работоспособность различных изделий обеспечивается сочетанием нескольких разнообразных критериев конструкционной прочности.

Прочность конструкции в целом невозможно определить только по результатам испытания образцов. Эксплуатация и разрушение реальных деталей могут происходить в более сложных условиях, чем те, в которых испытывается стандартный образец. Вид напряженного состояния, форма детали, наличие концентраторов, предшествующие технологические воздействия — все эти факторы влияют на конструкционную прочность изделия. Поэтому для оценки прочности конструкции в целом необходимо проведение стендовых, натурных или эксплуатационных испытаний.

Конструкционные материалы должны также иметь хорошие технологические свойства: обрабатываемость резанием, давлением, свариваемость, литейные свойства и др. Не менее важным является экономический фактор, определяемый стоимостью самого материала и технологии его обработки для получения необходимого комплекса свойств.

Если легирование в сочетании с термической обработкой формируют в сплавах гетерофазную структуру, то упрочнение существенно возрастает. В сплавах с высокодисперсной структурой выделившиеся частицы избыточной фазы затрудняют перемещение дислокаций, что вызывает повышение прочности до 10^–2 G (дисперсионное твердение). Степень упрочнения зависит от природы выделяющейся фазы. Чем более сложную кристаллическую решетку имеет фаза-упрочнитель, чем больше она отличается от решетки матричного твердого раствора, тем больше эффект упрочнения. Деформационное, твердорастворное упрочнение и дисперсионное твердение сопровождаются снижением пластичности и повышением температуры хрупко-вязкого перехода. В металлических материалах только зернограничное упрочнение не вызывает охрупчивания.

Границы между зернами и блоками являются непреодолимыми препятствиями для дислокаций. Поэтому чем мельче зерно и больше площадь межфазных границ, тем выше прочность сплава. Эта закономерность описывается уравнением Холла–Петча:

где – напряжение, необходимое для перемещения дислокации в решетке; k – константа материала; d – размер зерна.

Рис. 8. Зависимость напряжения течения, напряжения разрушения при растяжении и деформации до разрушения железа от размера зерна. Переход от хрупкого разрушения к вязкому наблюдается при размере зepнa_, соответствующем : 1 - напряжение разрушения; 2 - напряжение течения; 3 - деформация до разрушения ( - 195° С)

Рис. 9. Критическая температура в зависимости от размера зерна стали с 0,11% С [6]. Критическая температура линейно зависит от ln d ^-1/2 и уменьшается