Переход от пластического разрушения к хрупкому

В природе нет хрупких и пластичных материалов, а есть хрупкое и пластическое разрушение. В зависимости от условий эксплуатации большинство материалов может разрушаться и пластично и хрупко.

Хрупкое разрушение опасно тем, что оно происходит внезапно и мгновенно, зачастую сопровождаясь катастрофическими последствиями. Задача конструктора - изучить условия хрупко-вязкого перехода и ни в коем случае не допустить перехода материала конструкции из пластического состояния в хрупкое в процессе эксплуатации конструкции.

Пластическая деформация и хрупкое разрушение не связаны между собой, они совершаются различными механизмами и зависят от различных внешних и внутренних факторов. Пластическое течение начинается в металле деформацией сдвига и вызывается действием касательных напряжений, в то время как отрыв одной части тела от другой совершается под действием только нормальных напряжений.

Под действием пластической деформации рост нормальных напряжений в теле резко замедляется, что затрудняет хрупкое разрушение отрывом. Характер разрушения тела определяется соотношением нормальных и касательных напряжений в теле и соотношением двух механических характеристик материала: сопротивлением сдвигу, при котором начинается пластическая деформация тт, и сопротивлением отрыву SOTр, при котором происходит хрупкое разрушение.

Сопротивление сдвигу тт связано с напряжением трения, необходимым для движения дислокаций. При растяжении образцов можно принять предел текучести от ~ 2тт. Как уже отмечено, предел текучести растет с понижением температуры.

Сопротивление отрыву S0Tp это номинальное напряжение в растягиваемом образце, при котором происходит хрупкое разрушение, т. с. напряжение при вершине микротрещины достигает теоретической прочности (при отсутствии пластических деформаций). Сопротивление отрыву практически не зависит от температуры, лишь предшествующая пластическая деформация, упрочняя материал, незначительно повышает сопротивление отрыву.

Переход материала из пластичного состояния в хрупкое носит название жадноломкости. Объяснение хладноломкости предложено академиком А.Ф. Иоффе и развито академиком Н.Н. Давиденковым. При понижении температуры предел текучести растет сравнительно быстро, а сопротивление отрыву практически не изменяется (растет очень медленно) и при некоторой температуре Гкр, называемой критической температурой хрупкости, от = SOTp.

При Т> Ткр с увеличением действующей на растягиваемый образец нагрузки напряжения достигают вначале предела текучести и последующее разрушение будет пластическим, при Т< Ткр напряжения вначале достигают сопротивления отрыва и происходит хрупкое разрушение.

К хладноломким металлам относятся металлы с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба О ЦК, например конструкционные стали. Металлы с решеткой гранецентрированного куба ГЦК, например аустенитные стали, медь, не проявляют признаков хладноломкости, что объясняется высокими значениями 5отр и слабым изменением от в зависимости от температуры. В результате кривые от и SOTр не пересекаются. Схема Иоффе для металлов с решеткой ОЦК изображена на рис. 17.8, а, а для металлов с решеткой ГЦК — на рис. 17.8, б.

Диаграмма хладноломкости Иоффе

Рис. 17.8. Диаграмма хладноломкости Иоффе

При повышении предела текучести критическая температура хрупкости возрастает, что свидетельствует о склонности металла к хрупкому разрушению. Повышение скорости деформации приводит к тому же эффекту, что и снижение температуры.

Критическая температура хрупкости является критерием общего запаса вязкости. Академик Н.Н. Давиденков предложил оценивать температурный запас вязкости по формуле г| = (Г— Гкр), где Т — температура эксплуатации, Гкр— критическая температура хрупко-вязкого перехода (см. рис. 17.8). Если при использовании этой формулы учитывать количественную оценку смещения Ткр под влиянием конструктивных и технологических факторов, то г) становится качественным критерием общего запаса вязкости в элементах конструкции.

Рост скорости деформирования, увеличение размеров тела, концентрация напряжений повышают Ткр. С ростом размеров зерна хладноломких металлов резко снижается сопротивление отрыву, что повышает Ткр и увеличивает опасность хрупкого разрушения. Для различных случаев имеются эмпирические формулы для оценки Ткр.

Важной характеристикой является чувствительность материалов к надрезу, т. е. снижение прочности надрезанных образцов по сравнению с гладкими. С повышением прочности материалов их чувствительность к надрезу увеличивается, а Гкр повышается. Это объясняется ростом тт и тср, в то время как 5отр почти не меняется. Появляется опасность хрупкого разрушения. Эффект повышения прочности может стать отрицательным. Если с повышением прочности начинает падать пластичность, то Ткр растет, а запас вязкости г| уменьшается.

Следует иметь в виду, что параметр ц применим лишь для хладноломких материалов и неприменим при действии коррозионной среды.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >