Mekhanicheskie svoystva metallov Chast 3 Vyazkost Razrushenie Laboratorny praktikum

УДК 620.17
Б43
Рецензент
д-р техн. наук, проф. В.С. Золоторевский
Б43
Беломытцев М.Ю., Кудря А.В.
Механические свойства металлов: Ч. 3: Вязкость. Разрушение: Лаб. практикум. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 85 с.
Лабораторный практикум, состоящий из трех частей, включает в себя
одиннадцать лабораторных работ по курсу «Механические свойства металлов». К каждой лабораторной работе дано краткое теоретическое введение,
приведены достаточно полные нормативные требования и таблицы по данному виду испытаний, представлена методика и последовательность выполнения работы, правила техники безопасности при ее проведении, изложены
требования к оформлению результатов измерений.
Цель практикума – привить студентам навыки работы на испытательном
оборудовании и обучить практическому определению механических свойств.
Даются контрольные вопросы для проверки усвоения материала курса.
Соответствует программе курса «Механические свойства металлов».
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению
«Металлургия» по специальностям 150101, 150104, 150105, 150506, 150701,
150702, 200500, 010502, 200503, а также для бакалавров и магистров по направлениям «Металлургия» и «Физическое материаловедение».
© Государственный технологический
университет «Московский институт
стали и сплавов» (МИСиС), 2008
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа 9. Анализ изломов................................................4
Лабораторная работа 10. Определение температурного
интервала перехода стали от вязкого разрушения к хрупкому..........40
Лабораторная работа 11. Определение вязкости разрушения............60
3
Лабораторная работа 9
АНАЛИЗ ИЗЛОМОВ
(4 часа)
9.1. Цель работы
Целью работы является овладение методикой анализа и измерения элементов макрогеометрии изломов, а также изучение взаимосвязи характера поверхности разрушения с режимом термической
обработки и условиями испытаний.
9.2. Теоретическое введение
9.2.1. Общие сведения о строении изломов
и методах их исследования
Поверхность полностью разрушенного образца или детали, образовавшуюся в результате развития трещины, называют изломом.
Изучение строения изломов невооруженным глазом, с помощью оптической или электронной микроскопии называется фрактографией.
Благодаря изучению изломов получают уникальную информацию о
протекании всех стадий процесса разрушения испытуемого материала, которая может быть использована для оценки механизма, кинетики разрушения в зависимости от ряда факторов, а также для установления причин разрушения.
Единой классификации видов разрушения нет, что обусловило
большое число названий для одного и того же типа разрушения, базирующихся на различных признаках. Так, по степени участия пластической деформации в разрушении его разделяют на хрупкое, квазихрупкое, вязкое и смешанное; по виду нагружения различают разрушение от кратковременной однократной нагрузки (статическое
при растяжении, изгибе и др.), от длительной нагрузки (замедленное,
разрушение при ползучести), от циклически повторяющейся нагрузки (усталостное), если существенна кинетика процесса, то разрушение разделяют на стабильное и нестабильное.
Возможности существующих аппаратных средств и программного
обеспечения позволяют в настоящее время получить топографию
поверхности излома на трех масштабных уровнях измерения: макро-,
микро- (измеряются элементарные участки разрушения – ямка, фа4
сетка) и мезоуровне, когда измеряемые элементы излома на порядок
больше микроэлементов и на один-два порядка меньше его макрохарактеристик.
Первоначальный анализ изломов обычно проводят при небольших
увеличениях: невооруженным глазом и с применением луп (в том
числе бинокулярных) с увеличением не больше чем в 8–10 крат. Изучение мезостроения изломов включает в себя просмотр изломов в
оптических микроскопах (практически всегда – бинокулярных) при
увеличениях в 10–100 крат либо реконструкцию поверхности разрушения, например, по измерениям на лазерном профилографе. Для
исследования микростроения изломов используется сканирующая
или просвечивающая электронная микроскопия при увеличениях в
100–20000 крат (изучается непосредственно сам излом или угольные
либо лаковые отпечатки, полученные с излома, называемые репликами).
Основными признаками изломов (либо отдельных его характерных участков) на макроуровне являются: 1) расположение плоскости
излома относительно известных или предполагаемых плоскостей
действия максимальных нормальных и (или) касательных напряжений; 2) цвет излома; 3) степень микро- и макрошероховатости излома; 4) наличие дефектов макро- и микроструктуры металла, отражающихся в строении излома. Результатом анализа по каждому (!)
признаку является предварительный вывод о механизме разрушения,
причинах, возможном действии среды и т.д.
Хрупкому излому в каждой группе признаков соответствуют следующие признаки: 1) лежит в плоскости максимальных нормальных
напряжений (возникает в результате отрыва одной части образца относительно другой и может называться сколом, отрывом); 2) имеет
блестящий (по другой терминологии – кристаллический) цвет (обусловленный тем, что излом состоит из множества относительно ровных микроплощадок, образовавшихся в результате хрупкого разрушения отдельных зерен, их групп или отдельных частей и называемых фасетками скола, хорошо отражающих свет и создающих эффект крупинок-кристальчиков, рассыпанных по излому и составляющих его); 3) обладает низкой общей рельефностью (т.е. большой
сглаженностью в пределах всей плоскости излома).
Вязкому излому в каждой группе признаков соответствуют следующие признаки: 1) его поверхность совпадает с плоскостью действия максимальных касательных напряжений (возникает в результате
соскальзывания одной части образца относительно другой и может
называться срезом); 2) имеет матовый (по другой терминологии –
5
волокнистый) цвет (обусловленный тем, что излом состоит из множества кратеров-ямок, рассеивающих свет равномерно во всех направлениях и создающих общий серый фон излома); 3) обладает высокой рельефностью, созданной пластической деформацией (характерно наличие выступов, впадин, загибов, губ среза и иных элементов макроизлома с высоким профилем).
Для каждой группы признаков следует учитывать особенности их
применения.
1. Положение плоскостей максимальных касательных и нормальных напряжений по отношению к геометрическим осям образца зависит от вида напряженного состояния, созданного в данном сечении
изделия (может быть сопоставлено с положением данных плоскостей
при определенных видах механических испытаний); так, для образцов цилиндрической формы положение плоскостей, в которых действуют максимальные касательные или нормальные напряжения, будет полностью противоположным для случая растяжения (а также
сжатия) и кручения таких образцов (рис. 9.1–9.3). Данные, представленные в табл. 9.1, позволяют сопоставлять положение плоскостей
хрупкого или вязкого изломов с геометрическими осями и образца в
том или ином виде испытаний.
2. Для некоторых высокопрочных сталей элементы вязкого излома могут быть обнаружены только с применением электронного
микроскопа.
3. Элементы макрорельефа излома с высоким профилем могут
иметь своей причиной не значительную вязкость материала, а кристаллическое (зеренное) строение металла либо дефекты его строения в виде трещин различного происхождения и пор. При этом в целом излом может иметь абсолютно хрупкий характер.
Основными дефектами, которые могут быть обнаружены в изломе, являются трещины, поры и неметаллические включения. Трещины в изломе характеризуются следующими признаками: высоким
уступообразным рельефом (всегда) и продолжением трещины в виде
тонкой полоски на боковых гранях или поверхностях образца (как
правило). Трещины могут появляться в металле на этапе выплавки (в
процессе охлаждения слитка, и тогда это брак металлургического
этапа получения металла), на этапе пластической деформации прокаткой, ковкой, волочением (и тогда это брак этапа обработки металла давлением) и в результате термической обработки заготовок и готовых изделий (и тогда это брак этапа термической обработки).
6
а
б
в
г
Рис. 9.1. Вид напряженного состояния при растяжении
цилиндрического образца (а), схема и внешний вид абсолютно
хрупких (б–г) и вязких (1 – 6) изломов срезом (1), «в точку» (2),
ножевидного (3), по механизму образования пор (4), волокнистого (5),
«чашка – конус» (6)
7
а
б
в
Рис. 9.2. Вид напряженного состояния при кручении
цилиндрического образца (а) и внешний вид вязкого излома при
разрушении срезом (б) и хрупкого – отрывом (в)
а
б
Рис. 9.3. Вид напряженного состояния при сжатии
цилиндрического образца (а), внешний вид вязкого (б)
и хрупкого (в) изломов
8
в
Таблица 9.1
Направления максимальных упругих удлинений и максимальных касательных
напряжений, а также траектории макрохрупкого и вязкого разрушений
(без учета изменений направления в процессе разрушения)
при разных способах нагружения
Поры, являясь неизбежным дефектом металлургического этапа получения металла, чаще всего свидетельствуют о нарушении технологии обработки давлением слитков (в процессе которой поры должны
закатываться или завариваться). Они проявляются в изломе в виде
округлых впадин и половинок пузырьков (в случае их малых размеров – в виде серых точек), различимых глазом или в микроскоп,
имеющих округлые края. На внутренних сферических поверхностях
пор могут быть видны островки – куски ржавчины рыжеватого цвета,
цветные окисные пленки. Неметаллические включения в изломе наблюдают как при исследовании поверхности разрушения невоору9
женным глазом, так и (чаще) с помощью микроскопа. Они выглядят
как цветные блестки (голубоватого, красноватого, желтоватого, синего и других цветов) и свидетельствуют о низкой чистоте металла
по неметаллическим включениям (это брак металлургического этапа
получения металла). Все описанные выше дефекты распознаются при
наблюдении изломов невооруженным глазом либо с использованием
микроскопов с увеличением до 1000 крат.
Свою специфику имеют наблюдения изломов при исследовании
их в просвечивающих электронных микроскопах. Хрупкий излом
сколом по телу зерна (называемый также хрупким внутризеренным
или хрупким транскристаллитным разрушением) представляет собой
тонкие сливающие линии (отсюда название этого вида рельефа:
ручьевидный, древовидный или речной узор). Линии – следы развития единственной (для данного поля зрения) трещины в направлении
от «истоков отдельных ручейков к слиянию их в крупную единую
реку». Вязкий излом по телу зерна (называемый также вязким внутризеренным разрушением) представляет собой множество соседствующих друг с другом без промежутков полуовальных линий (являющихся отпечатками отдельных ямок; отсюда и название этого
вида рельефа – ямочный, или чашечный излом). Направление вытянутости ямок соответствует направлению распространения разрушения в данном месте. На дне ямок часто наблюдаются частицы второй
фазы в виде темных пятен или их отпечатки, являющиеся «затравками», на которых начали расти эти ямки. Изломы, в которых перечисленные выше элементы выявляются нечетко, хаотично перемежаются или совсем не выявляются, называются квазисколом и автоматически относятся к смешанному типу разрушения, что является очень
удобной для эксперта особенностью классификации изломов на микроуровне. Самый хрупкий вид разрушения – зернограничное хрупкое
разрушение (называемое также хрупким интеркристаллитным или
хрупким межзеренным разрушением). При наблюдениях на репликах
в просвечивающих электронных микроскопах этот тип разрушения
отличается от изломов смешанного типа неотчетливо. Картины, наблюдаемые в изломах при просмотре их в сканирующих электронных микроскопах, имеют аналогичный вид и те же названия. Особенностями, связанными с использованием сканирующих микроскопов, являются меньшие сложности в приготовлении объектов, меньшие увеличения и большая объемность изображения на экране. Атлас характерных картин и узоров, наблюдаемых в изломах при исследовании их в электронных микроскопах, приведен в приложении.
10
Всякий вывод по каждому пункту исследования, сделанный на
основе качественного анализа, будет субъективным, поэтому каждый
исследователь должен быть готов к аргументированной защите своего решения со ссылками на общепринятые методики, признаки и
классификации.
Наиболее сложный и противоречивый этап – формулировка общего заключения по всему излому с учетом результатов анализа по
всем признакам. Формулируя экспертное заключение по анализу изломов, следует различать особенности употребления терминов
«хрупкое разрушение» и «хрупкий излом». Почти всегда разрушение
различных изделий во время эксплуатации по механизму быстрого
(катастрофического) развития трещины вызвано приложенными напряжениями по величине меньшими, чем заложенные в конструкцию
и рассчитанные с учетом соответствующих правил проектирования и
коэффициентов безопасности. Это обстоятельство и привело к общему описанию таких разрушений как «хрупких». При этом механизм распространения трещин и вид собственно излома может быть
диаметрально противоположным: от скола или межзеренного разрушения с незначительной деформацией до полностью пластического
сдвига (в тонких полосах). В этом случае следует помнить инженерное определение «хрупкого» разрушения: «вид разрушения, при котором нестабильный рост трещины происходит при напряжениях,
меньших предела текучести».
Трещина, по которой произошло окончательное полное разрушение,
называется магистральной. Следы слияния других (единичных) трещин
с магистральной видны на поверхности излома в виде рубцов, ступенек, неровностей различной формы. Очертания и профиль этих неровностей характеризует данный процесс разрушения – по ним можно судить о направлении, а иногда и о скорости распространения трещин.
Строение излома во многом зависит от локальности предшествующей разрушению упругой и пластической деформации. Понятия «вязкий», «хрупкий» изломы характеризуют степень микропластической
деформации в тонкой зоне около магистральной трещины и могут не
совпадать с информацией об общей деформации за весь период испытания. Наиболее удобно анализировать хрупкие изломы, так как пластическая деформация усложняет их строение. В большинстве случаев
хрупкий излом сопровождается малой общей деформацией образца,
низкой ударной вязкостью, малыми сосредоточенными сужением и удлинением. Одно из наиболее наглядных проявлений хрупкости – отсутствие или небольшие размеры скосов на кромках излома.
11
В связи с тем, что разрушение – многостадийный процесс, развивающийся во времени, в любом изломе должны присутствовать три
зоны: 1) фокус излома, 2) зона распространения трещины, З) долом
(рис. 9.4). Однако четко выявить его строение можно только на хрупких изломах.
а
б
Рис. 9.4. Схема строения (а) и фотография (б) излома от
однократного приложения нагрузки
Фокусом называется малая зона, в которой зарождается разрушение. Он образуется в местах наибольшей концентрации напряжений,
которые зависят от конфигурации изделий, состояния поверхности,
дефектов строения, химической, структурной и механической неоднородности.
Обычно зоны разрушения выявляют при увеличении в 20–30 крат
и более, каждая из трех зон отличается степенью шероховатости.
Образование вязких изломов сопровождается существенной макро- и микропластической деформацией. Из-за сильной деформации
зерен излом не имеет кристаллического блеска. Значительная деформация, предшествующая образованию пластичного излома, изменяет
форму и размер поперечного сечения образца вблизи излома, поэтому эти изменения – признаки пластического разрушения.
В зависимости от характера приложения нагрузки изломы можно
разделить на три группы: усталостные изломы (нагрузка, предшествовавшая разрушению, прилагалась циклически не менее 500 раз); от
однократного приложения нагрузки (либо число циклов прилагаемой
нагрузки менее 500); полученные при высокой температуре и одновременном действии окислительной атмосферы. Ниже будут описаны особенности изломов, относящихся к той или иной группе.
12
9.2.2. Особенности строения изломов
в зависимости от условий нагружения
Изломы, возникающие при однократном
нагружении
Излом, полученный при растяжении, можно считать хрупким, если величина сосредоточенного относительного сужения менее 5 %
для гладких и менее 1…2 % для надрезанных образцов. При этом
толщина деформированного слоя, по данным рентгенографического
исследования, составляет для углеродистых и низколегированных
сталей 0,03…0,07 мм. Полухрупкие изломы сопровождаются не
только локальной, но и небольшой макропластичностью, при этом
сужение равно 5 и 2 % соответственно для гладких образцов и образцов с надрезом. Для образцов ударного изгиба вместо сужения вводят понятие утяжки (ℓ), которая определяется по формуле ℓ = (А0 –
А2)/А0·100 %, где А2 – ширина сечения образца в самой его узкой
части после испытания; А0 – ширина сечения образца до испытания
(рис. 9.5).
а
б
Рис. 9.5. Макрогеометрия изломов ударных образцов с большой (а)
и малой (б) долей вязкой составляющей в изломе
Смешанные изломы – изломы, в которых одновременно наблюдают участки хрупкого и вязкого разрушения.
В хрупком изломе однократного нагружения может быть несколько
фокусов. Вторая и третья зоны хрупких изломов покрыты рубцами и
ступеньками, расходящимися веерообразно от фокуса. Около фокуса
рубцы обычно тонкие, в зоне развивающегося разрушения они более
грубые. По направлению и виду рубцов можно установить место начала разрушения. Если разрушение начинается и развивается сразу от
13
нескольких фокусов, то рубцы более грубые в начальной зоне и становятся тоньше по мере слияния соседних трещин.
Заметная граница между второй и третьей зоной (зоной долома)
видна только на очень хрупких изломах. Максимальная нагрузка на
диаграммах деформирования приблизительно соответствует границе
между этими зонами. Плоскость хрупких изломов обычно нормальна
к направлению наибольших растягивающих напряжений. Однако на
поперечных образцах могут образовываться ступеньки и трещины в
плоскости прокатки, что искажает положение плоскости излома относительно действующих напряжений. В конечной зоне разрушения
у хрупких изломов могут быть небольшие скосы, размер которых
растет с увеличением пластичности.
Хрупкое разрушение, как правило, проходит по телу зерен, образуя фасетки, и так как на их поверхности отсутствуют видимые следы деформации, то хрупкие изломы при достаточно большом размере зерна кристалличны. Следует, однако, заметить, что так как хрупкое разрушение металлов происходит не только по плоскостям спайности, но и по плоскостям скольжения, то даже в самых хрупких изломах можно обнаружить следы пластической деформации. Размеры
фасеток в изломе связаны с размерами структурных составляющих.
Например, в низкоуглеродистой стали со структурой феррита величина фасеток в изломе определяется размером ферритных зерен. Если структура стали – перлит и феррит, то размер фасетки связан с
разрушением более прочных зерен перлита, т.е. при внутрикристаллическом разрушении количество кристаллических участков в изломе примерно отражает количество хрупко разрушающейся в данном
объеме среды. При зернограничном разрушении такого соответствия
может не быть. При малой величине зерна и небольших увеличениях
отличить зернограничное (межзеренное) и транскристаллитное
(внутризеренное) разрушение трудно. Изломы монокристаллов имеют несколько меньший блеск. Кристалличность излома оценивается
отношением площади кристаллических участков ко всей поверхности излома. На поверхности излома образцов после изгиба имеется
один или несколько мелких очагов разрушения, разделенных друг от
друга ступеньками или целая зона начального разрушения, часто в
виде серпа или лунки. На изломах изгиба также имеются рубцы, скосы, которые получили название «губы среза», «крылья», имеющие
«шелковистый» вид.
Фокус излома пластичных металлов, нагружаемых осевым растяжением, – гладкий участок, расположенный обычно в центре сече14
ния, где в шейке достигается условие объемного напряженного состояния. При уменьшении пластичности, когда увеличивается чувствительность материала к перекосу или к дефектам, фокус может сместиться относительно центра. При осевом растяжении пластичных
материалов образуются изломы нескольких видов (см. рис. 9.1):
1) косые изломы типа 1 – у материалов с ограниченной способностью к местной пластической деформации и относительно низким
сопротивлением срезу (алюминиевые и магниевые деформируемые
сплавы);
2) конические изломы типа 2 и 3 – у очень пластичных материалов
(чистые Рb, Аl и др.). Эти два типа изломов проходят полностью по поверхности среза на образцах исходно круглого сечения. Если образцы
пластинчатые, то поверхность излома имеет ножеобразный характер;
3) изломы типа 6, проходящие частично по поверхности макроотрыва, частично по поверхности макросреза – «звездочкой» и «чашечкой», – у конструкционных сталей, обладающих способностью к сосредоточенной деформации (на цилиндрических образцах);
4) волокнистые изломы типа 5 и 6 – у многих пластичных сплавов
(например, латуней), в структуре которых имеются грубые частицы
избыточных фаз. Пластическая деформация в этих изломах сказывается в вытянутости волокон, разрушение которых происходит с образованием матовых темных по окраске площадок, поэтому вязкий излом не имеет блеска.
Изломы «чашечкой» и «звездочкой» имеют волокнистую сердцевину (плоскую площадку), ориентированную нормально к направлению максимальных растягивающих напряжений, и боковые скосы,
поверхность которых совпадает с направлением действия максимальных касательных напряжений. Излом «звездочкой» отличается
от излома «чашечкой» тем, что на изломах «звездочкой» рубцы
представляют собой крупные радиальные возвышения, у которых
одна стенка почти перпендикулярна, а другая наклонена к поверхности излома. Вдоль лучей звездочки, ближе к центру, иногда наблюдаются трещины. Образование радиальных рубцов и трещин связано
с пониженными свойствами сталей в поперечном направлении. При
растяжении круглых образцов из пластичных сталей образование
шейки создает объемно-напряженное состояние в шейке, тангенциальные напряжения могут значительно возрасти, поэтому становится
возможным разрушение по вертикальным направлениям, где ослаблены поперечные свойства (см. рис. 9.1, в, г).
15
Степень шероховатости дна чашечки увеличивается с ростом пластичности металла.
На изломах очень пластичных материалов, разрушающихся целиком по поверхности среза, радиальные рубцы отсутствуют.
Вязкие изломы, полученные при изгибе, гладкие, волокнистые,
темные. Боковые скосы у них больших размеров, прогнуты. В зоне
сжатия эти изломы имеют «шелковистый» вид.
Ударные испытания на изгиб часто применяются для оценки
склонности стали к хрупкому разрушению. Для этого строят температурную зависимость ударной вязкости и определяют температуру вязкохрупкого перехода. Так как хрупкое и вязкое разрушение при ударном изгибе различаются по виду излома (блестящий, он же кристаллический или матовый, он же волокнистый), то температуру хрупкого
перехода можно определить по структуре излома. За эту температуру
принимают температуру, при которой в изломе появляются или первые участки, или 50 %, или 100 % хрупкого разрушения (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Схемы изломов ударных образцов
(по Т.А. Гордеевой и М.П. Жегиной):
В – вязкая составляющая; Х – хрупкая
Для всех вязких изломов характерно ямочное микростроение, выявляемое при просмотре их в электронных просвечивающих и сканирующих микроскопах, которое объясняется тем, что на границах
зерен, частицах неметаллических включений и упрочняющих фаз, в
других местах зарождаются микропустоты, которые растут, а затем
сливаются друг с другом, что приводит к полному разрушению с об16
разованием на изломе углублений в виде ямок. Размер ямок зависит
от размера, количества частиц и пластичности материала.
Пластичные изломы разрушенных растяжением или изгибом образцов легированных конструкционных сталей после закалки и отпуска при температуре 200…500 ºС характеризуются «строчечными»
неровностями, расположенными нормально к рубцам. Они могут наблюдаться, например, на дне «чашечки». У очага разрушения высота
неровностей мала, к периферии излома она увеличивается. Эти неровности – фронт распространения трещины.
Некоторые дефекты в стали выявляются в изломах только при условии достаточно пластичного характера разрушения, например,
шиферность, расслоения, «зевки», причина появления которых – различная способность к деформированию соседних групп волокон.
Изломы, возникающие при длительном
статическом нагружении
Детали, находящиеся под нагрузкой, с течением времени разрушаются при напряжениях ниже предела прочности. Это – замедленное разрушение. Изломы замедленного разрушения имеют макрохрупкий характер, который обусловлен расположением излома нормально к направлению максимальных растягивающих напряжений и
малой пластичностью зоны деформации. В этом они сходны с аналогичными изломами от однократного нагружения, у которых плоскость излома нормальна к направлению главных растягивающих напряжений; в плоскости излома – очаг и рубцы, расходящиеся из очага. Вблизи очага рубцы мельче, вдали от него крупнее. При макроанализе излома замедленного разрушения выявляются две зоны:
а) гладкая, часто блестящая зона и б) вторая зона с более пластическим строением. В отличие от изломов, полученных при обычном
испытании на растяжение, у многих изломов замедленного разрушения наблюдается четкая граница между зонами быстрого и медленного распространения трещины. В первой зоне излома значительную
часть часто занимают участки межзеренного разрушения. Вторая зона – матовая, имеющая тонкую шероховатость и следы макроскопической деформации, у кромки излома, представляющие собой скосы,
которые возникают при доломе. Однако у пластичных материалов
при сложных схемах нагружения (например, растяжение с изгибом)
начальная зона разрушения может иметь волокнистый, а зона быстрого разрушения – хрупкий характер.
17
Возникновению замедленного разрушения способствуют следующие факторы: наличие на поверхности образца хрупкого слоя от
насыщения газами или наклепа, наличие внутренних растягивающих
напряжений и т.п.
На склонность к замедленному разрушению существенное влияние оказывает схема напряженного состояния – оно проявляется тем
больше, чем больше жесткость способа нагружения, т.е. чем меньше
доля касательных напряжений. [Склонность к замедленному разрушению возрастает в большей степени при переходе от сжатия (коэффициент мягкости схемы напряженного состояния α = 2) к растяжению (α = 0,5), нежели чем при переходе от кручения (α = 0,8) к растяжению (α = 0,5).] С ростом прочности чувствительность стали к
замедленному разрушению увеличивается, а с ростом мягкости испытательной машины – в еще большей степени (наиболее часта схема нагружения при испытании на замедленное разрушение – свободно подвешенным грузом, что соответствует абсолютно мягкой испытательной машине).
Изломы, возникающие при повышенных и высоких
температурах
Разрушение при повышенных температурах происходит при низких по сравнению с обычными кратковременными испытаниями напряжениях и, следовательно, с малой скоростью.
Изломы от длительного статического нагружения при высоких
температурах похожи на изломы хрупких материалов при однократном нагружении. Они кристалличны, грубозернисты, с неровной шероховатой поверхностью. Разрушение происходит по границам зерен. Строение этих изломов однородно, очаг разрушения и рубцы
отсутствуют, поэтому разрушение может начаться из многих очагов
сразу.
Чаще всего изломы, полученные разрушением при повышенных
температурах, темные, с оксидными пленками различного цвета, которые расположены на всей поверхности. При сравнительно низких
температурах или значительных напряжениях в изломе может наблюдаться волокнистость, которая обусловлена долей внутризеренного разрушения.
На боковой поверхности образцов около излома обычно наблюдается растрескивание.
18
Усталостные изломы
Усталостные изломы образуются после многократного нагружения
образцов или деталей при напряжениях, не превышающих предел текучести материала, поэтому на участке собственно усталостного развития излома отсутствуют следы макропластической деформации.
С точки зрения макропластической деформации это хрупкие изломы, при микроанализе – пластичные, так как в вершине магистральной
трещины происходит пластическая деформация в микрообъемах.
Рассмотрим строение типично усталостного излома (рис. 9.7).
Начальная стадия образования трещины составляет 5…10 % общего времени испытания. Вначале зародышевые трещины распространяются вдоль полос скольжения, а затем растут нормально к
направлению растягивающих напряжений. Направление первоначальной трещины зависит от формы и расположения концентратора напряжений сильнее, чем от вида нагружения. Из большого
числа начальных трещин развиваются те, у которых наблюдается
наиболее острая вершина и достаточна большая длина. С уменьшением «живого сечения» действующие напряжения превышают
разрушающие и наступает стадия быстрого разрушения.
На усталостных изломах можно выделить три зоны: очаг разрушения (А), зона собственно усталостного излома (D) и зона долома (C).
а
б
Рис. 9.7. Схема (а) и фотография (б) усталостного излома от действия
умеренного номинального напряжения (заштрихована зона долома)
Очаг разрушения – макроскопическое место начала трещины;
обычно образуется от слияния нескольких фокусов. Фокус излома
возникает чаще всего на поверхностных или подповерхностных
дефектах. Зародышами трещин могут быть и впадины, возникшие
на поверхности в результате кругового движения винтовых дислокаций, от действия источников краевых дислокаций на пересекающихся плоскостях скольжения и по другим механизмам.
19
Если разрушение началось от нескольких фокусов, то в очаге
разрушения образуются рубцы от слияния зародышевых трещин
при близком их расположении и крупные уступы при значительных расстояниях между ними.
По виду излома определяют последовательность возникновения
очагов. Плотность усталостных линий, размер усталостной зоны,
блеск больше у более ранних очагов – результат более медленного
развития трещины. Очаг разрушения в изломе сглажен и выделяется
ярким блеском из-за притертости поверхности при циклическом отрывании и закрывании трещины (часто эту зону усталостного излома
называют зеркалом излома; она служит главным макроскопическим
признаком, позволяющим отличить усталостный излом от статического). От очага расходятся (опоясывают его) усталостные линии
(усталостные бороздки) – следы продвижения магистральной трещины. Глубина впадин по профилю этих линий обычно составляет
10…30 мкм. В период растяжения напряжения продвигают трещину
вперед, далее происходит остановка из-за пластической деформации
у вершины и уничтожение скоплений дислокаций перед фронтом
трещины в период сжатия, затем новый скачок и т.д. Концентрически расположенные усталостные бороздки, надежно выявляемые при
увеличениях в 8–10 крат, являются вторым надежным признаком усталостного разрушения, особенно для изломов, полученных при малоцикловой усталости, при которой зеркало излома может отсутствовать. Расположение усталостных бороздок при усталостном разрушении и рубцов при статическом разрушении принципиально различное: первые подобны линиям, опоясывающим очаг разрушения, а
вторые подобны лучам, исходящим из очага. Развитие трещины идет
тем быстрее, чем меньше пластичность стали, которая необходима для
релаксации напряжений путем пластической деформации, поэтому в
материалах пластичных, малочувствительных к трещине зона собственного усталостного разрушения больше, чем в малопластичных.
Размер зоны усталости зависит также от уровня действующих напряжений и условий нагружения (сравни рис. 9.7 и 9.8). Чем ниже
уровень нагрузки, тем больше в изломе зона усталостного разрушения (рис. 9.9). Величина этой зоны пропорциональна числу циклов
до разрушения. Это не соблюдается для хрупких материалов, у которых, независимо от уровня нагрузки, усталостная зона занимает небольшую часть излома (5…10 %).
Перерывы в нагружении, изменения уровня внешней нагрузки приводят к появлению в изломе зон различной шероховатости. Увеличе20
ние скорости приложения нагрузки (например, ударное циклическое
нагружение) приводит к снижению площади усталостной зоны.
Направление первоначальной трещины существенно зависит от
формы и расположения концентратора напряжений. Усталостные
линии около точечного концентратора – конические окружности,
около вытянутых – продолговатой формы, при нескольких очагах
линии опоясывают их. При изменении направления развития трещины могут образовываться зародыши новых (пасынковых) трещин,
идущих в другом направлении. От слияния этих трещин образуются
вторичные ступеньки и рубцы.
а
б
Рис. 9.8. Схема (а) и фотография (б) усталостного излома для случая
симметричного изгиба при вращении и действии высокого
номинального напряжения (заштрихована зона долома)
На изломах, полученных в условиях высокочастотного нагружения (102–103 циклов/мин) и на массивных образцах при обычных режимах на границе усталостная зона – долом, а также при малоцикловых испытаниях образуются участки ускоренного продвижения трещины, которые называются участками хрупкого проскальзывания.
Иногда эти участки чередуются с участками собственного усталого
излома. В этой зоне возникают грубые рубцы от слияния трещин,
придающие ей бугорчатое строение.
Если в сечении испытуемого образца действующее напряжение
превышает разрушающее, происходит чаще всего хрупкое, а у очень
пластичных материалов вязкое разрушение. Внешний вид излома в
зоне долома такой же, как и при статических испытаниях: скос
обычно небольших размеров, грубокристаллическая поверхность (у
очень пластичных материалов – волокнистая). Более кристаллическое строение зоны долома при усталостных испытаниях, чем при
однократном нагружении объясняется тем, что зона долома образуется не за один, а за несколько циклов.
21
9.3. Методика и порядок выполнения работы
9.3.1. Общие положения
Для установления причин разрушения деталей машин весьма
важно правильно проанализировать характер излома. Практика исследования всех аварийных деталей показывает, что вид излома дает
исследователю значительно больше данных для анализа причин разрушения, чем остальные виды исследования. Поэтому первой задачей исследователя должно быть тщательное сохранение излома разрушенной детали от повреждения. Более того, даже по окончании
исследования излом разрушенных деталей должен сохраняться продолжительный срок как вещественное доказательство правильности
экспертного заключения. Часто приходится сталкиваться со случаями,
когда малоопытные исследователи в процессе испытания уничтожают
изломы, подвергают, например, всю разрушенную деталь горячему
травлению, приготовляют от плоскости излома микрошлиф или берут
стружку для химического анализа. В этих случаях, как правило, не
только сами исследователи не устанавливают причины разрушения, но
и уничтожают один из главных способов обнаружить эти причины.
Рис. 9.9. Схемы усталостных изломов при различных условиях нагружения:
I – осевая нагрузка; II – односторонний плоский изгиб; III – двухсторонний
плоский изгиб; IV – изгиб вращающегося образца
22
Сохранение и бережное отношение к изломам должно быть основным правилом для исследователей. Обратите внимание: 1) излом
нельзя тереть пальцем, оценивая его «шершавость» (слой жира с
пальцев остается на изломе, и под ним интенсивно начинают развиваться процессы коррозии, в связи с чем оценить первичный цвет
излома становится невозможным); 2) для указания на какие-либо характерные детали и области излома нельзя пользоваться пишущими
ручками, карандашами и т.п.; 3) оставшиеся после этого на изломе
следы пасты или грифеля могут быть приняты в последующем за
внутренние дефекты металла); для этой цели следует применять остро заточенные предметы из достаточно мягкого материала (спичка,
шариковая ручка с убранным стержнем, медная проволочка и т.п.);
4) при необходимости длительного хранения изломов для предотвращения коррозии их следует помещать в эксикатор, а для длительного экспертного хранения – покрывать слоем резинового клея, но
лучше химически стойким лаком типа АК - 20.
9.3.2. Методика качественного анализа изломов
Качественный анализ изломов нужно проводить в такой последовательности:
1. Получив коллекцию изломов, осмотреть каждый образец и его
поверхность невооруженным глазом, выявляя при этом общий характер строения излома.
2. Зарисовывать общий вид (изопроекцию) части образца, прилегающей к излому, обращая внимание на утяжку, загнутость краев,
трещины и другие детали боковой поверхности, после чего нарисовать укрупненную схему излома (план). Все замеченные особенности
строения излома нанести на схему, указав на них стрелками (рубец,
ступенька, очаг и т.д.). Наклоняя излом под разными углами, выявить на его поверхности зоны различной шероховатости, блеска и
др. и нанести их на схему.
3. После просмотра излома невооруженным глазом рассмотреть
его на бинокулярном микроскопе при увеличении в 10–100 крат. При
этом уточнить отдельные детали рельефа излома.
4. После детальной зарисовки схемы излома описать его, обратив
внимание на следующие основные показатели:
1) особенности строения излома, которые позволяют отнести его к
хрупкому, вязкому или смешанному (цвет, следы макро- и микропластической деформации в плоскости излома) типу;
23
2) особенности изменения геометрии всего образца (сужение, удлинение, трещины на боковой поверхности и др.), подтверждающие
сделанный вывод;
3) признаки, указывающие на место начала, конца и направление
развития трещины;
4) причины возникновения наблюдаемых деталей рельефа излома
(фокус, лучи, рубцы, фасетки, усталостные линии, уступы, зоны различной шероховатости и др.).
5. Дать сравнительный качественный и количественный анализ
изменения строения излома от температуры нагрева при термической
обработке или температуры испытания.
9.3.3. Методика количественного анализа изломов
Макрогеометрия поверхности излома содержит элементы вязкого
(высокоэнергетического) и хрупкого (низкоэнергетического) распространения трещины, количественная оценка которых может служить
для определения степени охрупчивания стали.
При ударном изгибе прямоугольного образца излом имеет форму
«квадрата», ограниченного с боковых сторон откосами (скосами, губами) среза, со стороны надреза – полосой старта трещины (надломом) и зоной долома со стороны, противоположной надрезу (см.
рис. 9.5).
По измерениям размеров откосов можно оценить долю вязкой составляющей в изломе:
V = P (C / F0 ) ⋅ 100 %;
где Р = 2(а + в) – периметр «макрохрупкого квадрата»;
С – ширина откоса среза;
F0 – площадь сечения образца в месте надреза до испытания,
F0 = А0(В0 – Н), Н – глубина надреза.
Аналогичная величина определяется для улучшаемых сталей
(ГОСТ 4543–71) по площади излома, занимаемой хрупкой составляющей, которая в пределах «плоского квадрата» имеет вид трапеции и именуется обычно макрохрупким квадратом (см. рис. 9.5). Отношение этой площади (F1 = ab) ко всей площади сечения образца в
месте надреза до испытания (F0 = А0В0) составляет долю хрупкой составляющей в изломе в процентах:
Х = ( F1 / F0 ) ⋅ 100 % .
24
Соответственно вязкая составляющая в процентах, вычисленная
этим способом,
V = (100 – X).
Измерение параметров а и в проводят с точностью до 0,5 мм, при этом
погрешность измерения не должна превышать 5 % (ГОСТ 4543–71). Нахождение доли вязкой составляющей широко используется для определения порога хладноломкости улучшаемых конструкционных сталей, где за критическую температуру хрупкости (Тхр) обычно принимают ту температуру, при которой доля вязкой составляющей равна
50 % от общей площади излома.
Степень охрупчивания стали можно оценить и по ширине зоны
среза L = 2С (см. рис. 9.5), которая растет с повышением пластичности стали, уменьшается по мере ее охрупчивания и отсутствует при
чисто хрупком разрушении (перегрев, закалка на мартенсит, низкие
температуры испытания). Ширину откосов среза С измеряют «в плане» (в плоскости «плоского квадрата») в самом широком месте с точностью до 0,01 мм на универсальном измерительном микроскопе
УИМ-21. Величина С измеряется с двух сторон «плоского квадрата»,
после чего находится среднее значение.
О вязкости стали судят также по величине утяжки ℓ, определяемой по формуле
ℓ = (А0 – А2)/А0·100 %,
где А0 – исходная толщина образца (для данного типа образцов по
ГОСТ 9454–78 величина А0 должна быть равна 10 ± 0,1 мм),
А2 – толщина образца в самой его узкой части вблизи поверхности разрушения.
Плоская макротрещина переходит в откосы среза при выходе
пластической зоны в ее вершине на поверхность образца. Поэтому
существует прямая связь между параметром С и радиусом пластической зоны (rпл) в вершине трещин, т.е. по величине С из соотношения С ≈ rпл = (К1С/σ0,2)2 (σ0,2 – предел текучести материала) можно
приближенно оценить вязкость разрушения стали. В этом случае
измерения откосов предпочтительно проводить на образцах с трещиной (или исключить общую пластическую деформацию до старта трещины).
Параметры А0 и А2 измеряются на приборе УИМ-21 с точностью
до 0,01 мм.
25
9.4. Правила техники безопасности
при выполнении работы
Работая с образцами, не следует касаться руками поверхности излома, необходимо предохранять ее от механических повреждений и
загрязнений: сильно загрязненная поверхность делает невозможным
изучение излома.
При осмотре излома на бинокулярном микроскопе и на универсальном измерительном микроскопе следует соблюдать необходимые меры техники безопасности при работе с электроприборами:
перед работой проверить исправность электрических разъемов,
штепселей, розеток. Не приступать к работе на неисправном оборудовании.
9.5. Задание
В процессе лабораторной работы студенты выполняют следующие задания:
1. Идентифицировать полученную коллекцию изломов по их основным признакам. Провести измерения элементов макрогеометрии изломов ударных образцов из стали 45 после различных видов термической
обработки. По результатам измерений дать количественную оценку
влияния вида термообработки и температуры отпуска на вязкость стали.
2. Идентифицировать полученную коллекцию изломов по их основным признакам. Провести измерения элементов макрогеометрии
изломов ударных образцов из стали 45 в перегретом состоянии и после нагрева на различные температуры. По результатам измерений
дать количественную оценку влияния температуры нагрева на степень исправления перегретой структуры.
3. Идентифицировать полученную коллекцию изломов по их основным признакам. По результатам измерений элементов макрогеометрии изломов ударных образцов с V-образным надрезом из хладостойкой стали дать количественную оценку влияния температуры
испытания на сопротивление стали хрупкому разрушению. Определить критическую температуру хрупкости.
4. Идентифицировать полученную коллекцию изломов по их основным признакам. По результатам измерения элементов макрогеометрии изломов ударных образцов с V–образным надрезом и трещиной из хладостойкой стали дать количественную оценку влияния
температуры испытания на сопротивление стали хрупкому разрушению. Определить критическую температуру хрупкости.
26
Библиографический список
Гордеева Т.А., Жегина М.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение, 1978. С. 4–22.
Фрактография и атлас фрактограмм: Справ./ Пер. с англ.; Под ред.
М.Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1982. 480 с.
Фридман Я.Б. Механические свойства металлов: Ч. 1. М.: Машиностроение, 1974. С. 345–363.
Контрольные вопросы
1. Что называется изломом?
2. Как классифицируются изломы по характеру разрушения?
3. Почему на поверхности изломов появляются рубцы и ступеньки?
4. Какие основные признаки характеризуют вязкий к хрупкий
изломы?
5. Какие зоны можно выделить в изломе?
6. Какие признаки характеризуют хрупкий излом при осевом
растяжении, ударном изгибе?
7. Какие признаки характеризуют вязкий излом при осевом растяжении, ударном изгибе?
8. По каким признакам можно выделить фокус, зону замедленного и ускоренного развития трещины в изломах многократного нагружения?
9. Чем обусловлены размеры фасеток в образцах после ударного
изгиба?
10. Как образуются изломы «чашечкой» и «звездочкой»? При
каких видах испытаний они образуются?
11. При каких условиях образуются косые и конические изломы?
12. С чем связана различная шероховатость дна "чашечки" и откосов у разрывных образцов?
13. Почему вязкие изломы темного цвета?
14. Каков вид излома после длительного статического растяжения при высокой температуре?
15. Какие зоны и по каким признакам можно выделить на усталостном изломе?
16. Как образуются усталостные линии?
17. От каких факторов зависит размер собственно усталостной
зоны в изломе?
27
18. Какие особенности строения излома можно выделить при
малоцикловых испытаниях?
19. Что понимается под элементами макрогеометрии изломов и
какую дополнительную информацию можно получить при их измерении?
20. Как определяется доля вязкой составляющей в изломе и для
каких целей?
21. Что понимается под величиной утяжки и каковы ее причины?
22. Какую информацию можно получить при измерении откосов
среза?
28
Приложение
Атлас характерных изломов
ХРУПКИЙ ИЗЛОМ СКОЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Сталь 20, ударный изгиб при T = –196 °С
(просвечивающая электронная микроскопия, угольная реплика, х9000)
29
ВЯЗКИЙ ЧАШЕЧНЫЙ ИЗЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Сталь 20, ударный изгиб при Т = +20 °С
(просвечивающая электронная микроскопия, угольная реплика, х9000)
30
ХРУПКИЙ ИЗЛОМ СКОЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Сталь 45, ударный изгиб при Т = –196 °С
(просвечивающая электронная микроскопия, угольная реплика, х20 000·0,5)
31
ХРУПКИЙ ИЗЛОМ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН
Сталь 18ХГТ, цементованный слой, ударный изгиб при Т = –196 °С
(просвечивающая электронная микроскопия, угольная реплика, х10 000)
32
ХРУПКОЕ МЕЖЗЕРЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ
Сталь 10Х18Н10Т, зернограничное коррозионное растрескивание
(сканирующая электронная микроскопия, х10 000)
33
ВЯЗКИЙ ЧАШЕЧНЫЙ ИЗЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Армкожелезо, ударный изгиб при T = +20 °С.
Очень крупные ямки; в их донышках – включения силикатов
(просвечивающая электронная микроскопия, угольная реплика, х20 000)
34
ВЯЗКИЙ ЧАШЕЧНЫЙ ИЗЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Сталь 45, ударный изгиб при Т = +20 °С
(просвечивающая электронная микроскопия, угольная реплика, х20 000)
35
ХРУПКИЙ ИЗЛОМ СКОЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Сталь 38ХН3МФА, ударный изгиб при Т = –196 °С
(сканирующая электронная микроскопия, х1300)
36
ВЯЗКИЙ ЯМОЧНЫЙ ИЗЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Сталь 38ХН3МФА, ударный изгиб при Т = +20 °С
Крупные ямки; на их донышках – неметаллические включения
(сканирующая электронная микроскопия, х1500)
37
ВЯЗКИЙ ЯМОЧНЫЙ ИЗЛОМ ПО ТЕЛУ ЗЕРНА
Сталь 38ХН3МФА, ударный изгиб при Т = +20 °С
Мелкие ямки
(сканирующая электронная микроскопия, х1500)
38
КВАЗИСКОЛ
Азотированный монокристалл молибдена, растяжение при Т = +1600 °С
(сканирующая электронная микроскопия, х1500)
39
Лабораторная работа 10
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА
ПЕРЕХОДА СТАЛИ ОТ ВЯЗКОГО РАЗРУШЕНИЯ
К ХРУПКОМУ
(4 часа)
10.1. Цель работы
Целью данной работы является определение температурного интервала хладноломкости стали 20 по величине ударной вязкости и по
доле вязкого излома.
10.2. Теоретическое введение
Склонность к хрупкому разрушению определяется как свойствами
самого сплава (тип решетки, состав, структура и субструктура), так и
условиями испытания (трехосное напряженное состояние, скорость
деформации, температура испытания).
Поскольку многие детали машин и конструкций работают в условиях значительных колебаний температуры (на открытом воздухе, в
криогенной технике, в космосе), знание температурной зависимости
вязкости (работы разрушения) сплавов имеет первостепенное значение для прогноза внезапных хрупких разрушений.
При любой схеме испытаний в подавляющем большинстве сталей
с понижением температуры повышается модуль упругости, предел
прочности и текучести, понижается относительное удлинение и относительное сужение. Если снижение пластичности значительное, то
падает и вязкость. Снижение работы разрушения при охлаждении
называется хладноломкостью. Оно присуще в той или иной мере
всем металлам и сплавам с ОЦК решеткой, в том числе и сталям.
Хладноломкость очень опасна для деталей машин и конструкций
тем, что при достаточно низких температурах разрушение может
быть внезапным, вообще без заметной пластической деформации.
Критерием хладноломкости является температура или интервал температур, в котором происходит переход от вязкого разрушения к
хрупкому, именуемые соответственно порогом или интервалом
хладноломкости. Интервал хладноломкости для одного и того же
материала сильно зависит от способов испытания.
40
При определении ударной вязкости действуют два фактора охрупчивания: высокая скорость деформации и наличие надреза на образце.
Концентрация напряжений создает трехосное напряженное состояние
и увеличивает истинную скорость деформации, сосредоточивая все
пластическое течение в надрезе, поэтому переход от вязкого разрушения к хрупкому при динамических испытаниях происходит при более
высокой температуре, чем при статических испытаниях.
Чтобы предвидеть характер изменения вязкости сплава во всем
диапазоне рабочих температур, надо знать верхнюю границу интервала, определенную в наиболее жестких условиях. Поэтому именно
ударные испытания выбраны для определения температурного интервала хладноломкости.
Исследуемая сталь подвергается испытанию на ударную вязкость в
нужном интервале температур, как правило через 10…20 °С; обычно испытывают не менее трех образцов при каждой температуре. Испытания
проводятся в соответствии с ГОСТ 9454–78 – при пониженных, комнатной и повышенных температурах; по ГОСТ 22848–77 – при температурах
от – 100 и до – 269 °С; по ГОСТ 26528–98 – для спеченных металлических материалов, исключая твердые сплавы; по ГОСТ 6996–66 – для
сварных соединений; по ГОСТ 23046–78 – для паяных соединений.
Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. В результате удара определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара К), либо
ударную вязкость КС. Эскиз образца и допускаемые размеры представлены на рис. 10.1 и в табл. 10.1.
Риски на поверхности концентраторов видов U и V, видимые без
применения увеличительных средств, не допускаются. Концентратор
вида Т получают в вершине начального надреза при плоском циклическом изгибе образца. Для получения трещины заданной глубины
необходимо не менее 3000 циклов. При испытании спеченных материалов ГОСТ допускает применение образцов без надрезов. Также
без надреза испытывают образцы хрупких материалов (чугун, порошковые материалы и т.п.). При испытании образцов сварных и
паяных соединений вид, размеры образцов и расположение сварного
или паяного шва в образце и в пространстве регламентированы в соответствующих ГОСТах.
41
1 ± 0,07
0,25 ±
0,025
Трещин
а
V
T
15
16
17
18
19
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Радиус
Тип
конобразц
центрат
а
ора, мм
U
Вид
концентратора
55
55
55
Длина,
± 0,6
9
10
10 ± 0,10
11
8
10
10
3,5
1,5
–
5,0
3,0
–
–
6 ± 0,05
8 ± 0,05
5 ± 0,1
7 ± 0,1
6 ± 0,1
8
–
8 ± 0,1
Высота
рабочего
сечения
10
–
Размеры образцов, мм
Высота, Глубина
Глубина
± 0,1
надреза,
концен± 0,1
тратора,
± 0,6
10 ± 0,10
7,5 ± 0,10
5 ± 0,05
2 ± 0,05
2 ± 0,05
10 ± 0,10
7,5 ± 0,10
5 ± 0,05
2 ± 0,05
10 ± 0,10
7,5 ± 0,10
5 ± 0,05
10 ± 0,10
7,5 ± 0,10
5 ± 0,05
10 ± 0,10
7,5 ± 0,10
5 ± 0,05
Ширина
При выборе, приемосдаточных
испытаниях металлов и сплавов для
конструкций повышенной степени
надежности (летательные аппараты,
транспортные средства, трубопроводы,
сосуды давления и т.п.)
При выборе и приемочном контроле
металлов и сплавов для особо
ответственных конструкций, для
эксплуатации которых оценка
сопротивления развитию трещины
имеет первостепенное значение; при
исследовании причин разрушения
ответственных конструкций
При выборе, приемосдаточных
испытаниях металлов и сплавов
Область применения
Размеры образцов для испытания на ударный изгиб (ударную вязкость)
Таблица 10.1
а
б
Рис. 10.1. Эскизы образцов для испытаний на ударный изгиб
с концентратором вида U(a), V(б) и Т(в) (см. с. 44)
43
Рис. 10.1. Окончание
За результат испытания принимают работу удара (разрушения)
или ударную вязкость для образцов с концентраторами вида U и V и
ударную вязкость для образцов с концентратором вида Т. В обозначении работы удара после буквы К и в вязкости разрушения после
букв КС приводят следующий индекс, обозначающий тип надреза: U
(U-образный), V (V-образный) или Т (усталостная трещина). В случае испытания образцов без надреза ударная вязкость обозначается
двумя буквами КС. Допускается обозначать работу удара буквой А, а
ударную вязкость буквой а с числовыми индексами внизу, указывающим на тип образца в соответствии с табл. 10.1. Температура испытания указывается дополнительным цифровым индексом, проставляемым вверху после буквенных составляющих. Цифры после
букв указывают на максимальную энергию удара маятника в джоулях, глубину концентратора и ширину образца в миллиметрах.
Уточняющие верхние индексы и цифры после символов не ставятся
44
при обозначении результатов испытаний, проведенных при комнатной температуре, на копрах с максимальной энергией удара 300 Дж
(30 кгс·м) и образцов типа 1, 11 и 15.
Приведем примеры обозначений:
KV-40 50/2/2 – работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре –40 °С. Максимальная энергия
удара маятника 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца
2 мм;
KCT+100150/3/7,5 – ударная вязкость, определенная на образце с
концентратором вида Т при температуре + 100 °С. Максимальная
энергия удара маятника 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм;
KCU (KCV) – ударная вязкость, определенная на образце с концентратором вида U(V) при комнатной температуре. Максимальная
энергия удара маятника 300 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 10 мм;
KCV–60 – ударная вязкость, определенная на образце с V-образным
надрезом при температуре –60 °С. Максимальная энергия удара маятника 300 Дж.
Наряду с основной размерностью ударной вязкости в Дж/см2 в литературе встречается старое обозначение ударной вязкости в
кгс·м/см2.
Зависимость работы разрушения К или ударной вязкости КС от
температуры испытания для многих конструкционных сталей в горячекатаном, отожженном либо нормализованном состоянии имеет
вид, представленный на рис. 10.2,а: ниже температуры T1 ударная
вязкость резко снижается. При температуре T2 ударная вязкость достигает минимального значения и дальше практически не меняется.
Температуры T1 и T2 называются соответственно верхним и нижним порогом хладноломкости, а интервал температур T1 – T2 –
интервалом перехода металла из вязкого в хрупкое состояние. Иногда определяют только один («средний») порог как температуру, при
которой ударная вязкость КС составляет половину от максимальной
или (при большом рассеянии КС) как температуру, при которой половина образцов разрушилась вполне вязко, а половина – хрупко.
Большое рассеяние значений ударной вязкости – само по себе признак хладноломкости: процесс вязкого разрушения неустойчив и при
малых изменениях условий испытаний или свойств образцов переходит в хрупкий.
45
Температурная зависимость ударной вязкости может иметь и
иной характер, чем показанная на рис. 10.2,а. Так, для чистых металлов с ОЦК решеткой характерно резкое падение ударной вязкости в
очень узком интервале температур; для высокопрочных конструкционных сталей после среднего и высокого отпуска характерно монотонное снижение ударной вязкости без четко выраженного верхнего
и нижнего порога хладноломкости; в чистых ГЦК металлах и аустенитных сталях значительного снижения ударной вязкости не наблюдается вовсе (рис. 10.2,б). Поэтому по ударной вязкости далеко не
всегда можно надежно определить порог хладноломкости.
Условия нагружения конструкции могут быть еще более жесткими, чем при определении ударной вязкости на надрезанных образцах
(например, при наличии такого острого надреза, как усталостная
трещина или флóкен – плоская остроконечная пора в металле, заполненная водородом). Поэтому и при ударных испытаниях образцов
желательно располагать четкими признаками приближения интервала хладноломкости в области высокой вязкости. Наиболее чувствительный признак – характер излома. Для вязкого разрушения выше
порога хладноломкости характерен матовый или «волокнистый» излом; для хрупкого (ниже порога хладноломкости) – блестящий или
«кристаллический». Тот и другой связаны с микромеханизмами их
образования, что проявляется в особенностях строения микрорельефа, создающего определенный цвет. Хрупкое разрушение вызвано
распространением в образце немногочисленных трещин; оно идет по
определенным кристаллографическим плоскостям в зерне либо по
границам зерна – в любом случае получаются плоские гладкие фасетки размером 10…100 мкм, дающие зеркальный блеск. Вязкий излом получается последовательным разрывом множества отдельных
вязко тянущихся перемычек между микропорами (микропустотами),
зародившимися на неметаллических включениях. Расстояние между
ними около 1 мкм, поверхности перемычек не плоские, поэтому вид
излома – матовый, «волокнистый», а не блестящий.
Внутри температурного интервала хладноломкости излом смешанный.
Невооруженным глазом легко заметить участки хрупкого излома
размером 3…5 мм2; при площади излома 80 мм2 соответствующее
изменение ударной вязкости составляет всего 3…5 %, что всегда ниже ошибки измерения. Поэтому появление хрупких участков в изломе – наиболее ранний признак приближения хладноломкости (еще
46
более высокое положение температуры вязкохрупкого перехода
можно получить при испытании на динамическое растяжение цилиндрических образцов с кольцевым надрезом, но это требует намного
более сложного оборудования).
а
б
Рис. 10.2. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания:
а – схема определения интервала вязкохрупкого перехода;
б – зависимость ударной вязкости от величины зерна
(К – крупное зерно, М – мелкое зерно) и температуры испытания для
ударно-хрупких (1 – Fe-α, 4 – Zn) и ударно-вязких
(2 – магний, 3 – сплав Al + 4 % Mg) материалов
Чтобы определить порог хладноломкости по виду излома, нужно
оценить долю вязкой составляющей, измеряя участок хрупкого разрушения без увеличения (либо при небольшом увеличении в 5–
7 крат) или сравнивая со схематической шкалой изломов (рис. 10.3).
Порог хладноломкости при этом можно определить, опять-таки, тремя способами: по появлению хрупких участков, по исчезновению
вязких и по 50 % площади вязкого излома. Любые данные о пороге и
интервале хладноломкости имеют смысл, только если указан способ
испытания и критерий порога. Работоспособность строительных сталей чаще всего оценивают по температуре, при которой получается
50% вязкого излома.
У сталей в высокопрочном состоянии вязкий и хрупкий изломы
макроскопически трудно различимы, и в этом случае доля вязкого излома может быть определена методами электронно-микроскопической
фрактографии (например, на угольных репликах либо в сканирующих
электронных микроскопах).
47
Рис. 10.3. Шкала для классификации изломов
(по Т.А. Гордеевой и М.П. Жегиной):
В – вязкая составляющая; Х – хрупкая
Положение интервала хладноломкости сталей зависит от состава
и структуры. Никель сильно снижает порог хладноломкости. Наибольшее повышение порога хладноломкости возникает от увеличения содержания кислорода: при его увеличении от 0,01 до 0,075 %
(по массе) порог хладноломкости повышается на 100 °С. Вследствие
этого кипящая сталь (имеет буквы «кп» в конце своего обозначения,
например Ст3кп) имеет более высокий порог хладноломкости, и ее
использование для конструкций, работающих при низких температурах, нежелательно. Малые количества раскислителей (до 0,5 % Si; до
1 % Mn; до 0,05 % Ti, Zr и V) снижают порог хладноломкости, связывая кислород. Сильно повышает порог хладноломкости фосфор (в
малоуглеродистых сталях с 0,06…0,09 % С увеличение содержания
фосфора от 0,1 % до 0,4 % приводит к повышению критической температуры хрупкости от –150 ºС до –5…–50 ºС).
Стали с мелким зерном имеют более низкую температуру вязкохрупкого перехода, чем крупнозернистые (см. рис. 10.2,б). Стали,
подвергнутые улучшению, при одинаковой прочности с нормализованными имеют более низкую температуру перехода, потому что в
них нет структурно-свободного феррита, имеющего ОЦК решетку.
Удовлетворительным уровнем ударной вязкости с инженерной
точки зрения может считаться величина KCU = 2 кгс·м⁄см2
(20 Дж/см2 ).
48
10.3. Методика проведения испытаний
Исследования проводятся на стандартных образцах с U-образным
надрезом основного типа (1 по ГОСТ 9454–78 – рис. 10.4).
Рис. 10.4. Чертеж образца для проведения испытаний
Если сталь термически обрабатывается, то надрез делается после
окончательной термообработки. Для образцов из листовой стали ось
надреза всегда перпендикулярна плоскости листа. Эти требования
исключают влияние обезуглероживания при термообработке и снижают рассеяние результатов из-за строчечности структуры. Испытание проводят на маятниковом копрè (рис. 10.5) с запасом работы
300 Дж (30 кгс·м).
Температуры испытаний в интервале –100°С…+1000 °С в соответствии с ГОСТ 9454–78 не регламентированы, но в производственной практике принято проводить испытания при температуре +20, 0,
–20, –40, –60, –80, –100 °С. Комнатной температурой считают температуру 20 ± 10 °С. При температурах ниже –100 °С ГОСТ 22848–77
рекомендует проводить испытания при изменении температуры с шагом 10 °С вплоть до –180 °С, а далее только в жидком азоте при –196 °С,
жидком водороде при –253 °С и жидком гелии при –269 °С. Допускается проводить испытания и при промежуточных температурах.
Для охлаждения образцов до температуры –100 °С применяется
термостат, заполненный в соответствии с ГОСТ незамерзающей при
температуре испытания жидкостью (этиловым спиртом). Для лабораторных исследований могут применяться и иные нетоксичные жидкости (ацетон, бензин и т.п.). Жидкость охлаждается сухим льдом
(твердой углекислотой), а для температур ниже –60 °С – жидким азо49
том. Для получения температур ниже –100 °С применяют пары жидкого азота (до –196 °С), жидкого водорода (до –253 °С) и жидкого
гелия (до –269 °С). Температура регулируется изменением скорости
циркуляции паров жидкого газа. Температура среды измеряется термометром с ценой деления не более 1 °С или термопарой, обеспечивающей измерение с погрешностью не более ± 5 °С – при температурах нагрева до 600 °С и ±8 °С – при температурах нагрева свыше
600 °С. Если необходим нагрев образцов, то до +100 °С он делается в
воде, а выше – в печи. Все образцы, испытываемые при нескольких
температурах, должны быть помещены в термостат с промежутками
на решетки отдельно для каждой температуры испытаний. Испытания нужно начинать с более низкой температуры, последовательно
переходя к более высокой. Щипцы для вынимания образцов должны
охлаждаться одновременно с образцами.
Рис. 10.5. Схема ударного испытания на
изгиб на маятниковом копре:
а – образец на опорах; б – маятниковый
копер; α и Н – угол и высота подъема
маятника до испытания; β и h – угол
вылета и высота подъема маятника
после испытания
Выдержка образцов в ванне при заданной температуре (с учетом
необходимого переохлаждения или перегрева) должна быть не менее
15 мин (5…10 мин при охлаждении до температур ниже –100 °С).
Выдержка в жидких сжиженных газах (азоте, водороде, гелии) – не
менее 5…10 мин, после прекращения кипения.
После извлечения образца из охлаждающей среды он нагревается,
находясь при комнатной температуре, поэтому промежуток времени
с момента извлечения образца до разрушения не должен превышать
5 с. Для этого маятник копра заранее устанавливается в верхнее по50
ложение. Чтобы скомпенсировать нагрев образца за время с момента
извлечения его из ванны до удара, температура охлаждающей жидкости должна быть ниже заданной. Если это время 3…5 с, то рекомендуются следующие поправки на температуры:
свыше –100°С до –60 °С – переохлаждение на 4…6 °С;
свыше –60°С до –40 °С – переохлаждение на 3…4 °С;
свыше –40°С до +10 °С – переохлаждение на 2…3 °С;
свыше +30°С до +200 °С – перегрев на 3…5 °С;
свыше +200°С до +400 °С – перегрев на 5…10 °С;
свыше +400°С до +500 °С – перегрев на 10…15 °С;
свыше +500°С до +600 °С – перегрев на 15…20 °С;
свыше +600°С до +700 °С – перегрев на 20…25 °С;
свыше +700°С до +800 °С – перегрев на 25…30 °С;
свыше +800°С до +900 °С – перегрев на 30…40 °С;
свыше +900°С до +1000 °С – перегрев на 40…50 °С.
10.4. Правила техники безопасности
При работе на копре МК-30 необходимо соблюдать следующие
правила техники безопасности:
1. Копер должен быть надежно огражден во избежание несчастных случаев от удара маятника или от разлетающихся с большой
скоростью обломков образца.
2. Поднятый маятник должен быть захвачен храповиком на всю
глубину зуба.
3. При установке образца нельзя пересекать рукой плоскость качания маятника.
4. Спущенный маятник после разрушения образца нельзя останавливать руками. Необходимо пользоваться тормозом.
Во избежание несчастного случая в момент установки образца на
опорные плоскости второй человек поддерживает взведенный маятник рукой, страхуя устанавливающего от самопроизвольного спуска
маятника. Желательно применение не обычного шаблона для центровки образца, а быстродействующего приспособления, обеспечивающего смещение надреза от плоскости симметрии не более чем на
0,5 мм и ускоряющего подготовку испытания.
Если на установку образца, вынутого из термостата, потрачено
более 5 с, его надо, не испытывая, вернуть в ванну и взять другой
образец.
51
Величина измеренного значения работы разрушения K и вычисленной на основании ее ударной вязкости КС сильно зависит от правильной настройки прибора (точности совпадения точки удара на
образце, которая должна находиться на середине его высоты, с линией качания центра массы маятника, а также совпадения плоскости
надреза на образце с плоскостью качания центра массы маятника) и
удобной (удачной) конструкции применяемых приспособлений (для
максимально быстрой установки образца на опоры в случае испытаний при пониженных и высоких температурах). Если первое – задача
своевременных и грамотно проведенных операций поверки, то второе – предмет постоянного совершенствования конструкций соответствующего узла различными фирмами. Применение автоматической
загрузки образцов на опорные плоскости в современных маятниковых копрах позволяет снизить время на установку образца до 0,5 с.
Другим инженерным решением, оправдавшим себя, является применение пневматики для движения стрелы, поддерживающей и «подхватывающей» маятник после удара для возврата его в исходное положение. Время на эту операцию удается снизить до 4…5 с без снижения безопасности эксплуатации копра. В этом варианте изготовления прибор комплектуется малогабаритным компрессором. В конструкцию современных маятниковых копров, так же как и во всех остальных видах испытательного оборудования, фирмами-разработчиками
вводятся вычислительные блоки (мини-компьютеры), которые регистрируют работу разрушения параллельно с традиционной регистрацией
стрелочным прибором, они же рассчитывают и ударную вязкость, а в
лучших моделях – записывают и представляют на экране динамическую диаграмму разрушения при ударе. Все результаты выводятся на
монитор. Задача оператора при этом – введение исходных установок
в компьютер перед началом испытания (размеры и тип образцов, запас работы маятника и др.).
10.5. Порядок проведения работы
Работу рекомендуется выполнять в такой последовательности.
1. Пронумеровать образцы. Составить протокол испытаний на
ударный изгиб (прил. 1), измерить штангенциркулем размеры В и h
их начального рабочего сечения с точностью до 0,1 мм.
2. Провести испытание на ударную вязкость продольных образцов
горячекатаного прутка из стали 20, используя для этого:
52
– при температурах –196…–100 °С пары жидкого азота, термопару класса ХА (хромель – алюмель) или ХК (хромель – константан)
для измерения температуры, потенциометр ПП-63 для регистрации
термоЭДС, прил. 2 и 3 для перевода милливольт в градусы Цельсия;
– при температурах –100…–60 °С ацетон или этиловый спирт, охлаждаемый жидким азотом, термопару класса ХА или ХК для измерения температуры;
– при температурах –60…–0 °С ацетон или этиловый спирт, охлаждаемый жидким азотом, и спиртовой термометр для измерения температуры;
– при температурах 0…100 °С воду и ртутный термометр для измерения температуры;
– при температурах свыше 100 °С электропечь для нагрева образцов и ртутный термометр для измерения температуры в диапазоне
100…300 °С либо термопару класса ХА или ХК для измерения температуры свыше 300 °С.
Для каждого образца проводить контроль точной температуры перед
его выгрузкой и время установки в секундах. После каждого удара забрать обе половинки образца (для предохранения поверхностей излома
от окисления из-за конденсации или наличия на них воды половинки
разрушенных образцов, полученных после испытания при минусовых
температурах и с нагревом в водных средах, немедленно поместить в
ацетон, имеющий комнатную температуру, и выдержать в нем в течение
времени, необходимого для выравнивания их температур; если температура испытания была выше 100 ºС, половинки разрушенных образцов
сразу охладить в воде комнатной температуры во избежание изменения
цвета излома из-за появления цветов побежалости; далее быстро перенести их в ацетон для удаления остатков воды).
3. Подсчитать для каждого образца площадь сечения и значение ударной вязкости KCU = A1/(Bh) с округлением до 1 Дж/см2 (0,1 кгс·м/см2)
при значении КС более 10 Дж/см2 (1 кгс·м/см2) и до 0,1 Дж/см2
(0,01 кгс·м/см2) при значении КС менее 10 Дж/см2 (1 кгс·м/см2).
Если в результате испытания образец не разрушился полностью,
то показатель качества материала считается не установленным. В
этом случае в протоколе испытания указывают, что образец при максимальной энергии удара не был разрушен. Результаты испытаний
также не учитываются при изломе образцов по дефектам металлургического производства, термической обработки и т.п. При замене
образца причину указывают в протоколе испытания.
53
4. Измерить площадь хрупкого разрушения тремя различными
способами (с использованием шкал сравнения, инструментального
микроскопа и штангенциркуля) в изломе каждого образца и подсчитать с точностью до 10 % долю вязкого излома V (рис. 10.6):
Sхр = ab;
S0 = Bh;
V = 1 – Sхр / S0.
5. Подсчитать средние значения KCU и V по трем образцам для
каждой температуры и каждого метода измерений и среднеквадратичные отклонения δ(KCU), δ(V). Нанести на графики KCU(Т); V(Т)
точки для каждого образца и средние для данной температуры. Данные для разных способов измерений нанести разным цветом.
Рис. 10.6. Схема измерения площадки хрупкого разрушения
(«макрохрупкого квадрата») в изломе образца
6. Внести данные в протокол испытаний и построить зависимости
KCU и V от температуры.
7. Определить значения верхнего и нижнего порога хладноломкости по величине ударной вязкости и по доле вязкого излома, определенной разными способами.
8. Определить порог хладноломкости по снижению ударной вязкости и долю вязкой составляющей в изломе на 50 %.
9. Оценить влияние способа измерений доли хрупкой составляющей в изломе на получаемые результаты.
Библиографическая список
Гордеева Т.А., Жегина М.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение, 1978. С. 4–22.
54
Гуляев А.П. Ударная вязкость конструкционной стали. М.: Машиностроение. 1969. 67 с.
Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. М.: МИСиС,
1998. 400 с.
Тимошук Л.Т. Механические испытания металлов. М.: Металлургия, 1971. С. 151–160.
Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974. Т. 2. С. 165–168.
Контрольные вопросы
1. Какие изменения условий испытания способствуют хрупкому
разрушению?
2. Какие характеристики механических свойств возрастают с понижением температуры? Какие – снижаются? Как изменение вязкости связано с изменением прочности и пластичности? От чего зависит их знак?
3. Что такое хладноломкость?
4. Что такое интервал и порог хладноломкости? По каким признакам их можно определить?
5. Почему при изучении хладноломкости наиболее часто используется испытание на ударный изгиб?
6. В чем опасность хладноломкости конструкций? Можно ли определить порог хладноломкости конструкции? Для чего порог хладноломкости определяют на образцах?
7. Почему по температурной зависимости ударной вязкости не
всегда можно найти порог хладноломкости?
8. По каким характеристикам, кроме ударной вязкости, можно судить о переходе от вязкого разрушения к хрупкому?
9. Какой характер излома наблюдается выше, внутри и ниже интервала хладноломкости?
10. Почему хрупкий излом – блестящий, а вязкий – матовый? Что
определяет размеры фасеток хрупкого излома?
11. Как влияют никель и фосфор на порог хладноломкости стали?
12. Какой элемент больше всего повышает порог хладноломкости
стали?
13. Почему кипящая сталь не может использоваться для конструкций, работающих при низких температурах?
14. Как изменить порог хладноломкости горячекатаной стали 45
после закалки и отпуска при температуре 650 °С?
55
15. Как влияет величина зерна стали на температуру порога хладноломкости?
16. Какие меры безопасности требуется соблюдать при определении порога хладноломкости ?
17. Чем характеризуется рассеяние значений ударной вязкости?
Почему в интервале хладноломкости это рассеяние больше, чем до и
после него?
18. С какой точностью измерены размеры образца и работа разрушения; с какой погрешностью вычислена ударная вязкость KCU?
Из чего складывается ошибка измерения ударной вязкости? Почему
она отличается от ошибки вычисления KCU? Как определить погрешность KCU из эксперимента? Зависит ли она от температуры
испытания?
19. Какую глубину и радиус надреза имеет образец основного типа по ГОСТ?
20. Почему надрез на образце вызывает охрупчивание? Как изменится порог хладноломкости, если надрез сделать острее?
21. В какую сторону будет ошибка в ударной вязкости стали, если
надрез образцов сделать до закалки?
22. С какой точностью надрез образца устанавливается против
маятника? Как эта точность достигается? Что будет, если смещение
оси надреза из плоскости удара будет больше допустимого?
23. Почему образцы в термостате должны лежать поодаль друг от
друга и на решетке? Какие ошибки возможны при недостаточной
выдержке?
24. С какой точностью нормируется и измеряется температура в
термостате? В каком интервале ошибки в температуре наиболее
сильно повлияют на ударную вязкость?
56
δ(а1)
ā1
Ударная вязкость КCU (а1)
δ(А1)
Ā1
Работа удара КU, (А1)
Площадь поперечного сечения
S0 = Bh, мм2
Высота рабочего сечения h, мм
Глубина концентратора, мм
Высота образца Н, мм
Ширина образца В, мм
Тисп, °С
№ образца
Площадь, Sхр = ав
ширина а
Длина в
методом 2
Длина в
методом 1
Размеры макрохрупкого
квадрата, мм
Измерение
Приложение 1
Доля вязкого излома, %
Характеристики излома
Ширина а
Характеристики
вязкости
Работа
Ударная
разрушения,
вязкость,
Дж
Дж/см2
Площадь Sхр = ав
Геометрия образца
Измерение методом 1
Марка стали
Сортамент
Направление вырезки образцов
Состояние перед испытанием
Максимальная энергия удара маятника при испытании
Скорость маятника в момент удара, м/с
Измерение методом 2
Протокол испытаний на ударный изгиб
Доля вязкого излома (по шкалам)
°C
–200
–190
–180
–170
–160
–150
–140
–130
–120
–110
–100
–90
–80
–70
–60
–50
–40
–30
–20
–10
0
0
+100
+200
+300
°C
0
–8,824
–8,561
–8,273
–7,963
–7,631
–7,279
–6,907
–6,516
–6,107
–5,680
–5,237
–4,777
–4,301
–3,811
–3,306
–2,787
–2,254
–1,709
–1,151
–0,581
–0,000
0,000
6,317
13,419
21,033
0
1
–
–8,588
–8,303
–7,995
–7,665
–7,315
–6,945
–6,556
–6,149
–5,724
–5,282
–4,824
–4,350
–3,860
–3,357
–2,839
–2,308
–1,764
–1,208
–0,639
–0,059
0,591
6,996
14,161
21,814
10
2
–
–8,615
–8,333
–8,027
–7,699
–7,351
–6,983
–6,596
–6,190
–5,767
–5,327
–4,870
–4,398
–3,910
–3,408
–2,8952
–2,362
–1,819
–1,264
–0,696
–0,117
1,192
7,683
14,909
22,597
20
3
–
–8,642
–8,362
–8,058
–7,733
–7,387
–7,020
–6,635
–6,231
–5,810
–5,371
–4,916
–4,446
–3,959
–3,459
–2,944
–2,416
–1,874
–1,320
–0,754
–0,176
1,801
8,377
15,661
23,383
30
4
–
–8,669
–8,391
–8,090
–7,767
–7,422
–7,058
–6,675
–6,273
–5,853
–5,416
–4,963
–4,493
–4,009
–3,509
–2,996
–2,469
–1,929
–1,376
–0,811
–0,234
2,419
9,078
16,417
24,171
40
5
–
–8,696
–8,420
–8,121
–7,800
–7,458
–7,095
–6,714
–6,314
–5,896
–5,460
–5,009
–4,541
–4,058
–3,560
–3,048
–2,522
–1,983
–1,432
–0,868
–0,292
3,047
9,787
17,178
24,961
50
6
–
–8,722
–8,449
–8,152
–7,833
–7,493
–7,132
–6,753
–6,354
–5,938
–5,505
–5,065
–4,588
–4,107
–3,610
–3,100
–2,575
–2,038
–1,487
–0,925
–0,350
3,683
10,501
17,942
25,754
60
7
–
–8,748
–8,477
–8,183
–7,866
–7,528
–7,169
–6,792
–6,395
–5,981
–5,549
–5,100
–4,636
–4,156
–3,661
–3,152
–2,628
–2,092
–1,543
–0,982
–0,408
4,326
11,222
18,710
26,549
70
8
–
–8,774
–8,505
–8,213
–8,898
–7,562
–7,206
–6,830
–6,436
–6,023
–5,593
–5,146
–4,683
–4,204
–3,711
–3,203
–2,681
–2,146
–1,599
–1,038
–0,466
4,983
11,949
19,481
27,345
80
9
–
–8,799
–8,533
–8,243
–7,931
–7,597
–7,243
–6,869
–6,476
–6,065
–5,637
–5,191
–4,730
–4,253
–3,761
–3,254
–2,734
–2,200
–1,654
–1,095
–0,524
5,646
12,681
20,256
28,143
90
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,36
3,5
3,7
3,85
4,0
4,14
4,3
4,4
4,55
4,67
4,8
4,9
5,0
5,1
5,2
5,6
6,3
6,8
7,1
мкВ/град
мкВ/град
Приложение 2
Градуировка термопары ХРОМЕЛЬ (Ni – 9,5 % Cr – 0,9 % Co) – КОНСТАНТАН (Cu – 43 % Ni – до 1 % Mn – до 0,15 % Fe)
по стандартам СТ СЭВ 1059–78 и МЭК 584-1.1977
Свободные концы при T = 0°С
Хромель положителен относительно платины, константан – отрицателен.
°C
–200
–190
–180
–170
–160
–150
–140
–130
–120
–110
–100
–90
–80
–70
–60
–50
–40
–30
–20
–10
0
0
+100
+200
+300
°C
0
–5,891
–5,730
–5,550
–5,354
–5,141
–4,912
–4,669
–4,410
–4,138
–3,852
–3,553
–3,242
–2,920
–2,586
–2,243
–1,889
–1,527
–1,156
–0,777
–0,392
–0,000
0,000
4,095
8,137
12,207
0
1
–5,907
–5,747
–5,569
–5,374
–5,163
–4,936
–4,694
–4,437
–4,166
–3,881
–3,584
–3,274
–2,963
–2,620
–2,277
–1,925
–1,563
–1,193
–0,816
–0,431
–0,039
0,397
4,508
8,537
12,623
10
2
–5,922
–5,763
–5,587
–5,394
–5,185
–4,959
–4,719
–4,463
–4,193
–3,910
–3,614
–3,305
–2,985
–2,654
–2,312
–1,961
–1,600
–1,231
–0,854
–0,469
–0,079
0,798
4,919
8,938
13,039
20
3
–5,936
–5,780
–5,606
–5,414
–5,207
–4,983
–4,743
–4,489
–4,221
–3,939
–3,644
–3,337
–3,018
–2,687
–2,347
–1,996
–1,636
–1,268
–0,892
–0,508
–0,118
1,203
5,327
9,341
13,456
30
4
–5,951
–5,796
–5,624
–5,434
–5,228
–5,006
–4,768
–4,515
–4,248
–3,968
–3,674
–3,368
–3,050
–2,721
–2,381
–2,032
–1,673
–1,305
–0,930
–0,547
–0,157
1,611
5,733
9,745
13,874
40
5
–5,965
–5,813
–5,642
–5,454
–5,249
–5,029
–4,792
–4,541
–4,276
–3,997
–3,704
–3,399
–3,082
–2,754
–2,416
–2,067
–1,709
–1,342
–0,968
–0,585
–0,197
2,022
6,137
10,151
14,292
50
6
–5,980
–5,829
–5,660
–5,474
–5,271
–5,051
–4,817
–4,567
–4,303
–4,025
–3,734
–3,430
–3,115
–2,788
–2,450
–2,102
–1,745
–1,379
–1,005
–0,624
–0,236
2,436
6,539
10,560
14,712
60
7
–5,994
–5,845
–5,678
–5,493
–5,292
–5,074
–4,841
–4,593
–4,330
–4,053
–3,764
–3,461
–3,147
–2,821
–2,484
–2,137
–1,781
–1,416
–1,043
–0,662
–0,275
2,850
6,939
10,969
15,132
70
8
–6,007
–5,860
–5,695
–5,512
–5,313
–5,097
–4,865
–4,618
–4,357
–4,082
–3,793
–3,492
–3,179
–2,854
–2,518
–2,173
–1,817
–1,453
–1,081
–0,701
–0,314
3,266
7,338
11,381
15,552
80
9
–6,021
–5,876
–5,712
–5,531
–5,333
–5,119
–4,889
–4,644
–4,384
–4,110
–3,823
–3,523
–3,211
–2,887
–2,552
–2,208
–1,853
–1,490
–1,118
–0,739
–0,353
3,681
7,737
1,793
15,974
90
мкВ/град
0,14
0,165
0,18
0,20
0,21
0,225
0,24
0,26
0,27
0,285
0,30
0,31
0,32
0,33
0,34
0,355
0,36
0,37
0,38
0,385
0,39
0,41
0,41
0,41
0,41
мкВ/град
Приложение 3
Градуировка термопары ХРОМЕЛЬ (Ni – 9,5% Cr – 0,9% Co) – АЛЮМЕЛЬ ( Ni – 1% Si – 2 % Al – 2,5 % Mn – 0,9 % Со)
по стандартам СТ СЭВ 1059-78, МЭК 584-1 и ГОСТ 3044-77
Свободные концы при T = 0°С
Хромель положителен относительно платины, алюмель – отрицателен.
Лабораторная работа 11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
(4 часа)
11.1. Цель работы
Овладение методикой оценки трещиностойкости металла с помощью линейной механики разрушения.
11.2. Теоретическое введение
В недалеком прошлом расчеты деталей и элементов конструкций
на прочность базировались, как правило, на значениях номинального
разрушающего напряжения, которые определяли испытанием на растяжение гладких образцов. Допустимое рабочее напряжение находят
при этом делением разрушающего напряжения на некоторый коэффициент, называемый запасом прочности. Величина запаса прочности выбирается конструктором на основании имеющегося опыта.
Наблюдения катастрофических разрушений конструкций показали, что магистральная трещина, бегущая со скоростью более
1000 м/с, возникает от исходных дефектов типа трещин (от сварки
или других технологических операций) при напряжениях много ниже предела текучести. Следовательно, критерии разрушения должны
в явном виде учитывать исходную дефектность материала.
Необходимо знать сопротивление материалов распространению
хрупкой трещины, чтобы установить допустимое напряжение по
максимально возможному размеру трещины, имеющейся в конструкции. Чтобы определить сопротивление росту хрупкой трещины
на образцах, используется линейная механика разрушения.
Гриффитс описал поле напряжений около бесконечно острой
трещины длиной 2ℓ в неограниченной сплошной среде под однородно распределенной нагрузкой, создающей далеко от трещины напряжения σ (рис. 11.1).
Вблизи вершины трещины (на расстояниях не менее 0,1ℓ) распределение любой компоненты напряжений σi,j имеет вид
σ( r ) =
60
KI
2πr
.
(11.1)
Рис. 11.1. Поле напряжений у вершины трещины
В вершине трещины (r = 0) напряжения всегда обращаются в бесконечность, но поле напряжений около нее зависят от размера трещины. Крутизна спада с удалением от трещины определяется параметром K (размерность МПа ⋅ м или кгс/мм3/2) – коэффициентом
интенсивности напряжений, который является функцией только приложенного напряжения и геометрии трещины. Для трещины длиной
2ℓ в бесконечной пластине (см. рис. 11.1)
К IС = σ π .
(11.2)
Индекс I при K в формулах (11.1) и (11.2) обозначает первую (отрывную) форму смещения трещины – при продвижении трещины в
направлении оси х ее берега расходятся в направлении оси y
(рис. 11.2). Ирвин первый указал, что для старта хрупкой трещины
важно не максимальное напряжение в точке (в точке r = 0 σ → ∞), а
закон убывания напряжения: высокие напряжения надо создать на
достаточно большой площадке. Отсюда вытекает количественный
критерий: для перехода к катастрофическому разрушению надо создать у вершины трещины критическую интенсивность напряжений
КIС (значок «C» – «critical»).
Величину КIС называют также вязкостью разрушения. Зная эту
константу материала, для расчета на прочность надо задать возможный размер исходной трещины 2ℓ, номинальное (при отсутствии
трещины) напряжение σ, по формуле (11.1) найти интенсивность напряжений КI и сравнить ее с экспериментально измеренной на образ61
цах критической интенсивностью напряжений КIС. Зная вязкость разрушения КIС для данного материала, можно рассчитать напряжение,
которое вызывает разрушение при наличии в детали трещины определенного размера и формы, либо найти предельно допустимый размер трещины при данном приложенном напряжении. Позднее было
показано, что критическую интенсивность напряжения КIС можно
выразить через удельную (на единицу площади) работу G раскрытия
трещины. Образование трещины разгружает зону радиусом примерно ℓ (рис. 11.3) – площадку размером примерно πℓ2. Точный расчет
разгруженной области дает значение 2πℓ2. Исходная плотность упругой энергии при одноосном растяжении σ2/(2E) (Е – модуль Юнга), а
для пластины бесконечной толщины, когда смещение в направлении
оси Z запрещено (случай «плоской деформации»), она несколько
меньше σ2(1–ν2)/2E, где ν – коэффициент Пуассона. Трещина длиной
2ℓ в этом случае высвобождает упругую энергию
U = 2πℓ2σ2(1 – ν2)/(2E) = πℓ2(1 – ν2)/E.
Рис. 11.2. Модели нагружения и смещения в зоне трещин
62
(11.3)
На создание такой трещины затрачена работа Q = 2ℓG. Трещина
растет самопроизвольно (без увеличения напряжения σ), если
dU/dℓ ≥ dQ/dℓ. Отсюда критическое условие старта
2πℓкрσ2(1 – ν2)/E = 2G.
Из него следует
[EG/(1 – ν2)]1/2 = σ(πℓкр)1/2.
(11.4)
Если в (11.2) подставить критические значения K = КIС и ℓ0 = ℓкр,
то правые части (11.2) и (11.4) совпадают, так что
GIC = КIС2(1 – ν2)/E,
(11.5)
т.е. удельная работа образования трещины равна квадрату вязкости
разрушения, нормированному на модуль Юнга (с близким к единице
коэффициентом).
Рис. 11.3. Разрушенная область вблизи трещины
Исходные формулы для напряжений от трещины (11.1) и энергетического баланса (11.5) относятся к двумерному случаю плоской
деформации, когда образец не утоняется пластическим течением, так
как нет затрат энергии на общую пластическую деформацию образца, а трещина одинаково плоская по всей ширине. Только в этих условиях вычисленное для момента старта трещины КI будет константой материала КIС. Первое необходимое для этого условие – номи63
нальное (без учета трещины) напряжение в момент разрушения ниже
предела текучести σ < σ0,2. Второе условие – отсутствие пластического (наклонного) среза также и по периметру трещины (в перемычке перед выходом ее на поверхность).
Если напряжение у вершины трещины превышает предел текучести материала σ0,2 ранее, чем будет достигнута критическая интенсивность напряжений КIС, то у вершины трещины появится зона пластической деформации. Радиус пластической зоны ry можно найти,
положив в формуле (11.1) σ = σ0,2
ry = КIС2/(2πσ0,22).
(11.6)
При наличии пластической зоны анализ напряжений с помощью линейной теории упругости теряет силу, но если радиус ry мал по сравнению с размером ℓкр, то можно внести поправку на пластическую
деформацию: поле напряжений трещины описывается с помощью
теории упругости, но для новой, «эффективной» длины трещины
ℓ + ry решения линейной механики разрушения дают правильные результаты только тогда, когда разрушающее напряжение мало по
сравнению с пределом текучести.
Рис. 11.4. Изменение характера разрушения и критического
коэффициента интенсивности напряжения с увеличением толщины
образца t
После разрушения образцов, сопровождаемого выраженной пластической деформацией, на периферии излома наблюдаются так на64
зываемые губы среза, а между ними – плоская площадка – макрохрупкий квадрат. Отсутствие признаков макропластической деформации в центральной части образца объясняется изменением жесткости напряженного состояния и схемы пластической деформации у
вершины трещины с приближением к свободной поверхности
(рис. 11.4).
Перемычка между трещиной и поверхностью может утоняться по
типу шейки, когда она станет тоньше ry и будет течь сразу по всей
толщине. Поэтому влияние свободной поверхности распространяется
на глубину a ~ ry ~ (КIС/σ0,2)2. Пока эта глубина сопоставима с толщиной образца t, доля вязкого разрушения в изломе остается значительной. Экспериментально определенное в этих условиях критическое
значение коэффициента интенсивности напряжений обозначают KС,
КQT или KС* (ГОСТ 25.506–85).
Условие ry/t << 1 равносильно (КIС/σ0,2)2 << t. По мере увеличения
толщины доля прямого излома возрастает, достигая 100 % при определенной толщине образца, а KС при этом достигает своего минимального значения КIС (см. рис. 11.4), которое и считается константой материала (оно не зависит от формы образцов и дальнейшего
увеличения их размеров). На основании опыта для большинства материалов (сталей с ферритной, перлитной, мартенситной структурой,
алюминиевых и титановых сплавов) считают достаточной толщину
t = 2,5(КIС/σ0,2)2.
(11.7)
Для чугунов соответствующий коэффициент равен 0,6; для очень
вязких аустенитных сталей – 5 (ГОСТ 25.506–85).
Определение вязкости разрушения и является задачей работы. В
соответствии с ГОСТ 25.504–85 под этим обобщающим термином
может быть принята одна из величин, характеризующих способность
материала сопротивляться росту в нем трещины. Такими величинами, разбитыми на группы, могут являться :
– силовые критерии – критические коэффициенты интенсивности
напряжений КIС, КС*, КQT, КС и предел трещиностойкости IC в
МПа·м1/2 или кгс/мм3/2;
– деформационный критерий – раскрытие в вершине трещины δС
в мм;
– энергетические критерии – значения JC- или JIC-интеграла в
МДж/м2 или кгс·м/мм2.
65
11.3. Методика проведения испытания
Для проведения испытаний необходимы следующая аппаратура,
инструменты и приспособления:
1) машина для кратковременных испытаний образцов или материалов с широким диапазоном нагрузок, скоростей деформирования
и температур типа 1958У-10-1. Наибольшая испытательная нагрузка – 10 000 кгс (100 кН);
2) вибратор для наведения усталостной трещины;
3) микроскоп инструментальный УИМ-21;
4) длинометр оптический «СARL ZEISS JENA»;
5) микрометр МК-25.
Вязкость разрушения определяют методом статического нагружения образцов с исходной трещиной по ГОСТ 25.506–85 «Расчеты и
испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении». Рекомендованы четыре основных типа образцов (рис. 11.5). Тип и размеры образцов выбирают,
исходя из цели испытаний, размера и формы заготовок или деталей,
из которых они вырезаются, механических свойств исследуемого
материала при температуре испытаний, мощности испытательной
машины и конструктивных возможностей используемых совместно с
ней приспособлений, экономических соображений. Образцы типа 2 –
цилиндрические с кольцевым надрезом предназначены для испытания на осевое растяжение (рис. 11.5,б), типа 4 (рис. 11.5,в) – на изгиб;
типа 3 (рис. 11.5, г) – на внецентренное растяжение. При одинаковых
размерах поперечного сечения образцов эти схемы испытания идентичны. Разница лишь в том, что при одинаковом сечении bt для изгиба требуется меньшее усилие (нужна менее мощная машина), зато
для растяжения – меньше длина и объем образцов (меньше расход
металлов и трудоемкость изготовления). Образец типа 4 может испытываться и на осевое растяжение; при этом его начальная рабочая
длина специально не оговаривается и образцу присваивается 5-й тип
формы (рис. 11.5,д). Для пластичных материалов небольшой прочности (низкие σ0,2 и по (11.7) – большие t) оба эти обстоятельства и определяют выбор образца. Размеры многих изделий и полуфабрикатов, в первую очередь листов, оказываются недостаточными для
корректного определения КIС даже высокопрочных сплавов, тогда
измеряют КС, а для пластичных листовых материалов иногда нельзя
определить и этой характеристики, тогда вязкость разрушения харак66
теризуется критической величиной раскрытия трещины δС, при которой начинается закритический рост трещины. Для таких опытов используют образцы типа 1 (рис. 11.5, а), вырезанных из листов толщиной t ≥ 1 мм, с отношением b/t = 1/16…1/45 и с центральным отверстием, по обе стороны от которого создаются надрезы и наводятся усталостные трещины.
Общими рекомендациями для выбора типа образцов являются
следующие:
– для листового материала толщиной от 1 до 10 мм рекомендуется
использовать образцы типа 1; при толщине от 20 до 100 мм – образцы типа 3; при толщине от 10 до 200 мм и более – образцы типа 4;
– для пруткового материала квадратного или прямоугольного сечения толщиной 1…40 мм рекомендуется использовать образцы типа 2; при диаметрах и толщинах более 40 мм – образцы типов 3 и 4;
– образцы для испытаний на трехточечный изгиб применяют для
металлов низкой и средней прочности (с относительным удлинением
δ5 = 15 % и более);
– образцы для испытаний на внецентренное растяжение применяют
для сталей всех категорий прочности, а также цветных металлов.
Образцы всех типов имеют острый надрез, в вершине которого
следует создать усталостную трещину длиной (ℓ0 – h) ≥ 1,5 мм (h –
глубина надреза, ℓ0 – видимая на боковой поверхности образца длина
трещины вместе с надрезом). Трещину наводят на механических
вибраторах или гидропульсаторах. Для наведения трещины рекомендуется знакопостоянный цикл растяжения с коэффициентом асимметрии R = Pmin/Pmax = 0,1…0,2. Чтобы получить достаточно острую
трещину (с зоной пластичности r0 < ry), надо ограничить пластическую деформацию в процессе циклического нагружения. Для этого
номинальные напряжения σ0 при максимальном усилии цикла должны быть не более 0,5·σ0,2, рекомендуемое число циклов нагружения –
не менее 5·104, а максимальный коэффициент интенсивности напряжений цикла Кmax, рассчитанный для надреза как для трещины той
же длины, не должен превышать 0,75КIС от предполагаемого значения КIС и Kmax ≤ 0,6КIС на конечном участке трещины длиной не менее 1,5 мм. Если трещину наводят при температуре Т1, а образец испытывают при Т2, то учитывают разницу в пределах текучести в виде
Kmax(T1) ≤ 0,6КIС [T1)σ0,2(T1)/(σ0,2(T2)].
(11.8)
Более короткая или слишком быстро выращенная трещина может
оказаться недостаточно острой.
67
б
Рис. 11.5. Рекомендуемые образцы и схемы нагружения для их испытаний (см. с. 69 и 70)
а
в
Рис. 11.5. Продолжение
г
д
Рис. 11.5. Окончание
е
Чтобы усталостная трещина соответствовала расчетной схеме,
допускается разница в ее длине на каждой из боковых поверхностей
плоских образцов не более 2 % при ℓ ≥ 25 мм и 0,5 мм при ℓ < 25 мм,
а отклонение плоскости трещины от плоскости предварительного
надреза – не более 10°C.
Испытательную машину и диапазон нагрузки выбирают по ориентировочной разрушающей нагрузке образца для внецентренного растяжения (см. рис. 11.5, г), изгиба (см. рис. 11.5, в) и осевого растяжения (см. рис. 11.5, а), соответственно:
Pmax ≥ 0,2t(σ0,2 + σВ)(b – ℓ);
Pmax ≥ 0,1t(σ0,2 + σВ)(b – ℓ)2/b;
Pmax ≥ 0,5t(σ0,2 + σВ)(b – 2ℓ),
(11.9а)
(11.9б)
(11.9в)
где t – толщина, b – ширина образцов, σ0,2 и σВ – предел текучести и
предел прочности материала при температуре проведения испытаний.
Скорость нагружения устанавливается по скорости перемещения
активного захвата в пределах от 0,02 до 0,2 мм/с, но так, чтобы скорость роста коэффициента интенсивности К на линейном участке
диаграммы была в пределах (0,5…1,5) МПа·м1/2/с (предельная нагрузка достигалась за 0,5…3 мин). Двухкоординатным потенциометром записывается диаграмма «сила Р – смещение берегов надреза υ»
или «сила Р – прогиб f» так, чтобы обеспечивать тангенс угла наклона линейного участка диаграммы в пределах 1…3 при масштабе по
оси υ или f не менее 25:1 (при определении КIС – не менее 50:1). Сигнал силы снимается от силоизмерителя машины или от тензодатчика
сопротивления на тяге нагружающей системы. Устройство для измерения силы должно иметь линейную характеристику с погрешностью
не более 1 %.
Смещение берегов надреза измеряют тензометрической скобой
(рис. 11.6), линейность характеристик которой и точность измерений
не хуже 2 % от рабочего диапазона датчика (до 5 мм).
При определении деформационного (δС) и силовых критериев вязкости разрушения (К) испытания проводят до разрушения с регистрацией диаграмм «Р – υ». Возможные типы диаграмм показаны на
рис. 11.7. Для определения вязкости разрушения по диаграммам надо
найти нагрузку PQ, РС или РD, соответствующую началу нестабильного роста трещины. Для этого проводят прямую ОА, соответствующую чисто упругой деформации, и через ее начало (Р = 0) – прямую
71
ОВ, тангенс угла наклона которой на 5 % меньше, чем тангенс угла
наклона для прямой ОА. Она пересекает диаграмму в точке Q, которой соответствует нагрузка PQ. Прямую ОВ удобно строить следующим образом: из произвольно выбранной точки А на прямой ОА
опускают перпендикуляр АЕ на ось υ и откладывают вниз отрезок
АВ = 0,05АЕ; через точку В проводят прямую ОВ. Точкам промежуточного максимума и абсолютных максимумов на всех диаграммах
соответствуют нагрузки РD и РС. Для диаграммы типа 1 принимается
РQ = РС, на диаграммах типа 2 – РQ = РD, на диаграммах 3 и 4 типа нагрузки РQ определяются в точке пересечения диаграммы с прямой ОВ.
Рис.11.6. Схема измерения смещения берегов трещины с накладками
(a) и с упором датчика в вырезе на образце – без накладок (б);
1 – образец, 2 – накладные опорные призмы, 3 – датчик смещения,
4 – плоскость надреза, 5 – призматические выступы,
6 – тензометрические сопротивления
72
Рис. 11.7. Типы диаграмм «сила – смещение»
Расчетную величину коэффициента интенсивности напряжений
КQ вычисляют по следующим формулам:
KQ =
PQ
t b
Y1 ,
(11.10а)
где Y1 = 0,38[1 + 2,308(2ℓ/b) + 2,439(2ℓ/b)2]
при 0,3b ≤ 2ℓ ≤ 0,5b для образца типа 1;
KQ =
PQ
t b
Y3 ,
(11.10б)
где Y3 = 13,74[1 – 3,38(ℓ/b) + 5,572(ℓ/b)2]
при 0,45b ≤ ℓ ≤ 0,55b для образца типа 3;
73
KQ =
PQ L
t b3
(11.10в)
Y4 ,
где Y4 = 3,494[1 – 3,396(ℓ/b) + 5,39(ℓ/b)2]
при 0,45b≤ℓ≤0,55b для образца типа 4, а L – расстояние между опорами (обычно устанавливают L = 120 мм).
В формулах (11.10) введены коэффициенты Yi, учитывающие конечность размеров образцов, в виде функции отношения общей длины трещины ℓ (вместе с надрезом) и ширины образца b. Приближенные аналитические выражения для них получены решением соответствующей задачи теории упругости и представлены в виде полиномов, а также сведены в табл. 11.1 и 11.2.
Таблица 11.1
Значения функции Y1 для образцов типа 1
2ℓ/b
0,300
0,305
0,310
0,315
0,320
0,325
0,330
0,335
0,340
0,345
–
Y1
0,727
0,734
0,741
0,748
0,756
0,763
0,770
0,778
0,785
0,793
–
2ℓ/b
0,350
0,355
0,360
0,365
0,370
0,375
0,380
0,385
0,390
0,395
–
Y1
0,800
0,808
0,816
0,824
0,832
0,839
0,847
0,855
0,863
0,871
–
2ℓ/b
0,400
0,405
0,410
0,415
0,420
0,425
0,430
0,435
0,440
0,445
–
Y1
0,879
0,887
0,895
0,904
0,912
0,920
0,928
0,937
0,945
0,954
–
2ℓ/b
0,450
0,455
0,460
0,465
0,470
0,475
0,480
0,485
0,490
0,495
0,500
Y1
0,962
0,971
0,980
0,988
0,997
1,003
1,014
1,024
1,032
1,041
1,050
Таблица 11.2
Значения функций Y3 и Y4 для образцов типа 3 и 4
ℓ/b
0,450
0,455
0,460
0,465
0,470
0,475
0,480
0,485
0,490
0,495
–
74
Y3
8,34
8,46
8,58
8,70
8,82
8,95
9,09
9,22
9,37
9,51
–
Y4
2,29
2,32
2,35
2,39
2,42
2,46
2,50
2,54
2,58
2,62
–
ℓ/b
0,500
0,505
0,510
0,515
0,520
0,525
0,530
0,535
0,540
0,545
0,550
Y3
9,66
9,81
9,97
10,13
10,29
10,46
10,63
10,81
10,99
11,17
11,36
Y4
2,66
2,70
2,75
2,79
2,84
2,89
2,94
2,99
3,04
3,09
3,14
В расчеты КQ входит также длина трещины вместе с надрезом ℓ.
Ее замеряют с погрешностью не более 0,1 мм на изломе после разрушения в сечениях, соответствующих 0,25; 0,5 и 0,75t, исключая
боковые поверхности (рис. 11.8), и вычисленное среднее арифметическое значение округляют до 0,1 мм. Если какие-либо два из указанных результатов измерений либо значения средней длины усталостной трещины справа и слева от центра для образца типа 1 отличаются более чем на 10 %, образцы отбраковываются. Граница между
усталостной и хрупкой трещиной определяется по виду излома. В
зоне максимального сужения разрушенных плоских образцов типов 1, 3 и 4 определяют толщину образца в зоне разрушения ϕC как
среднее арифметическое двух измеренных значений минимальной
толщины у вершины трещины на обеих половинках разрушенного
образца (либо у двух вершин трещин для образцов типа 1) в соответствии с рис. 11.8.
Трудность испытания на вязкость разрушения в том, что заранее
неизвестно, можно ли измеряемую величину KQ приравнять KIC. В
связи с этим для предварительного выбора размера образца используют, например, эмпирическую диаграмму (рис.11.9), связывающую
характерный размер (KIC/σ0,2)2 с отношением обычно известных предела текучести и модуля упругости. По этой же причине вторым этапом расчета вязкости разрушения является выяснение того, какую
именно из возможных вязкостей разрушения удалось определить в
опыте (проверка корректности определения величин трещиностойкости). При этом проверяется одновременное выполнение нескольких
групп условий.
1. Для диаграмм 3 и 4 типов должно выполняться условие
PC ≤ 1,1PQ, а для диаграмм 2 типа – условие PC ≤ 1,1PD.
2. По полученным величинам КQ и пределам текучести материалов при той же температуре вычисляют расчетные размеры сечения
образцов по формуле
(11.11)
tPK = βK(KQ/σ0,2)2,
где tPK – расчетная толщина образцов типов 1, 3 и 4; βK – безразмерный коэффициент, принимаемый равным 2,5 для алюминиевых, титановых, магниевых сплавов и сталей; 0,6 для чугунов.
Условия
этой группы
tPK/t ≤ 1 и одновременно ϕC = [(t – tC)/t] · 100 % ≤ 1,5 %
и следующей группы (третьей) являются альтернативными.
75
Рис. 11.8. Схема измерения утяжки и начальной длины трещины ℓ
для плоских образцов типов 1,3 и 4 (а) и цилиндрического образца
типа 2 (б): 1 – граница надреза; 2 – контур усталостной трещины;
3 – зона статического долома
Рис. 11.9. Эмпирическая диаграмма для ориентировочного выбора
толщины образца
76
3. Для диаграмм 3 и 4 типов должно выполняться условие
υС ≤ 1,2υQ, а для диаграмм 2 типа υC ≤ 1,2υD. Для нахождения υC, υQ
или υD на диаграммах «Р – υ» из точек C, Q или D соответственно
опускают перпендикуляр на ось υ и находят искомые величины как
расстояния от точек пересечения перпендикуляров до точки О начала
диаграммы (начала ее упругой части).
4. Все условия, связанные с наведенной усталостной трещиной.
При выполнении сформулированных выше условий величину KQ
принимают равной KIC (критическому коэффициенту интенсивности
напряжений) и в протоколе испытаний указывается, какая группа неравенств выполняется. Если условия 2-й и 3-й групп не выполняется
(при выполнении других условий), то определенная вязкость разрушения приравнивается величине KQ. Если необходимо определить именно величину KIC, следует испытать образцы большей толщины t.
В качестве характеристики вязкости разрушения может быть определен условный критический коэффициент интенсивности напряжений KC*, соответствующий точке С максимальной нагрузки на
диаграмме испытания. Вычисления проводятся по формулам (11.10)
с заменой PQ на PC и KQ на KC*.
Невыполнение условий какой-либо группы означает наличие чрезмерной пластической деформации в процессе испытаний. Определяемые в этих условиях коэффициенты интенсивности напряжений КС и
KQT должны учитывать эффективную длины трещины ℓТ, включающую в себя радиус зоны пластической деформации. Перед вычислением этих характеристик необходимо рассчитать величину номинального разрушающего напряжения по ослабленному сечению σС0:
PQ
σC 0 =
– для образцов типа 1;
(b − 2)t
PQ ⎡ 3(b + ) ⎤
σC 0 =
1+
– для образцов типа 3;
(b − )t ⎢⎣
b − ⎥⎦
σC 0 =
6 PQ b
(b − ) 2 t
– для образцов типа 4.
2
и
эффективную
длину
трещины
1 ⎛ KQ ⎞
T = + ⎜
⎟ ,
γπ ⎜⎝ σ0,2 ⎟⎠
где
γ = 210t* + 1,8 при t* = (1·10…20·10)–3 и γ = 6 при t* > 20·10–3. t* –
77
безразмерный параметр, численно равный толщине образцов типов
1, 3 и 4.
Расчет критического коэффициента интенсивности напряжений
для образца данной толщины KQT (проводится по нагрузке PQ) и критического коэффициента интенсивности напряжений для образца
данной толщины при максимальной нагрузке KС (проводится по нагрузке PС) допустим при значениях σС0 < 0,8 σ0,2, линейная механика
разрушения справедлива для модели с длиной трещины, равной эффективной, и проводится по формулам (11.10) с подстановкой в них
значений KQT и ℓT вместо KQ и ℓ –для определения KQT и KC и PC вместо KQ и PQ – для определения КС.
Если σС0 ≥ 0,8σ0,2, то определение характеристик трещиностойкости должно проводиться с использованием формул нелинейной механики разрушения.
Величину критического раскрытия трещины δС вычисляют для
точек С диаграмм «Р – υ» по следующим формулам:
δC
(K )
=
⋅ (1 − μ 2 )
δC
(K )
=
(1 − μ 2 )
δC
(K )
=
(1 − μ 2 )
* 2
C
2σ0,2 E
* 2
C
2σ0,2 E
* 2
C
2σ0,2 E
+ ν pC – для образцов типа 1;
+
b−
ν pC – для образцов типа 3;
3 z + 1,75b + 2
+
0, 4(b − )
ν pC – для образцов типа 4.
0, 4b + 0,6 + z
В этих формулах μ – коэффициент Пуассона, Е – модуль Юнга,
величина КС* вычислена ранее, z – толщина накладок (накладных
опорных призм) под измерительные ножки датчика раскрытия трещины (в случае, если ножки датчика опираются в вырезы, сделанные
непосредственно в образце, значение z = 0). Условное пластическое
смещение υрС находят графически из диаграмм «Р – υ». Для этого из
точки С проводят прямую, параллельную начальному линейному
участку диаграммы, до пересечения с осью υ – расстояние до точки О
даст искомую величину.
В качестве характеристики трещиностойкости ГОСТ 25.506–85 допускает определять предел трещиностойкости IC, представляющий
собой критическое значение условных коэффициентов интенсивности
напряжений KC* в широком диапазоне исходных длин трещин ℓ, опре78
деленных при максимальных нагрузках РС, выдерживаемых образцами. Для металлов, имеющих диаграммы 1 типа, величина IC естественным образом переходит в КС, а при соблюдении условий корректности – в KIC при данной длине трещины. Величина IC может определяться на образцах типа 1, 3 и 5 без записи диаграммы деформации, а
только по зарегистрированной величине максимальной нагрузки РС.
Для ее определения необходимо испытать несколько образцов с наведенной трещиной различной длины (от 0, что соответствует испытанию образца без надреза, до ℓ/b ≤ 0, с шагом 0,1ℓ/b для образцов типов
3 и 5 и 0,1(2ℓ/b – для образцов типа 1). По значениям полученных величин РС и ℓ вычисляют характеристику IC по следующим формулам:
IC =
PC 1/ 2 '
Y1 для образца типа 1,
tb
где Y1' = 1,77 + 0,227(2ℓ/b) – 0,51(2ℓ/b)2 + 2,7(2ℓ/b)3;
IC =
6 PC 1/ 2 '
Y4 для образца типа 4,
tb
где Y4' = 1,93 – 3,07(ℓ/b) + 14,53(ℓ/b)2 – 25,11(ℓ/b)3 + 25,8(ℓ/b)4;
IC =
PC 1/ 2 '
Y5 для образца типа 5,
tb
где Y5' = 1,99 – 0,41(ℓ/b) + 18,7(ℓ/b)2 – 38,48(ℓ/b)3 + 53,85(ℓ/b)4 .
По полученному массиву данных строят графики зависимостей
«IC – ℓ/b», «IC – σC/σC (ℓ = 0)» или «IC – σC/σB» для определения предела трещиностойкости IC при заданной длине трещины ℓ.
Для определения критических значений J – интегралов (JC, JIC) необходимо испытание серии образцов до различных уровней напряжений.
11.4. Техника безопасности
При выполнении работы необходимо соблюдать технику безопасности.
При наведении усталостной трещины перед включением вибратора проверить надежность установки образцов в захватах. Напряжение, подаваемое на электродвигатель вибратора, не должно превышать 120 В. Контроль за ростом трещины проводить только после
выключения и остановки электродвигателя вибратора. В случае возникшей неисправности немедленно выключить вибратор. На испытательной машине 1958У-10-1, вставив образец в захваты, проверить,
79
как он закреплен. Во время испытания не трогать образец. Испытания проводить только в присутствии преподавателя и оператора.
11.5. Задание
1. По данному модулю Юнга, пределу текучести σ0,2 и пределу
прочности σВ выбрать, пользуясь рис. 11.9, базовый размер образца
типа 1, 4 или 3, 5 для испытания на вязкость разрушения, определить
по формулам (11.9) ориентировочный диапазон нагрузок для испытания, допустимый диапазон скоростей нагружения, найти допустимый режим наведения усталостной трещины и выбрать масштаб записи диаграммы «нагрузка – смещение». Для образцов типа 1 b ≥ 8t;
2h ≈ (0,25…0,35)b; L ≥ 2b; 2ℓ ≈ (0,3…0,5)b; для образцов типа 3
b = 2t; b1 = 1,25b; H = 1,2b; 2a = 0,55b; d = 0,25b; ℓ0 = (0,45…0,55)b;
e ≤ 0,06b; h ≈ (0,35…0,5)b; для образцов типа 4 и 5 b = 2t;
ℓ0 = (0,45…0,55)b; e ≤ 0,06b; L = 4b; h ≈ (0,35…0,5)b; для образца типа 4L1 = 4b + 0,5b. Записать выбранные условия в протокол (приложение).
2. На боковых поверхностях образцов отметить место, соответствующее концу будущей усталостной трещины (длиной не менее
1,5 мм), образец установить в зажимы вибратора. Вибратор для образцов данного размера заранее градуирован: по амплитуде колебаний
определена (для данного вибратора) зависимость KI от скорости вращения. Чтобы соблюдались необходимые условия наведения трещины, надо подавать на двигатель, применяемый в вибраторе, напряжение U ≈ 100 В. За ростом трещины ведется визуальный контроль. Последний миллиметр трещина должна пройти не быстрее чем за 10 мин,
поэтому напряжение, подаваемое на двигатель вибратора, на последнем миллиметре уменьшается до 50…60 В. После выращивания усталостной трещины на обеих гранях образца на инструментальном микроскопе УИМ-21 измерить ее длину. Если различие замеренных величин более 2 % средней длины трещины, то следует продолжить наращивание трещины, повернув образец на 180° в зажимах вибратора при
напряжении, подаваемом на двигатель, равном 50…60 В. После наведения усталостной трещины микрометром измерить толщину образца
у кончика трещины с точностью до 0,01 мм.
3. Испытание на вязкость разрушения провести на испытательной
машине 1958У-10-1. Данная машина предназначена для кратковременных испытаний образцов с широким диапазоном нагрузок, скоростей деформирования и температур. Диапазоны нагрузок: 0…10;
80
0…20; 0…50; 0…100 кН. Скорость нагружения варьируется от 0,005
до 500 мм/мин. Масштаб записи деформаций от 5:1 до 1000:1. Сигнал записать с датчика смещения по каналу «У» измерителя статических нагрузок. По каналу «Х» записать усилие. Основная погрешность записи усилий по каналу «Х» от измеряемой величины, начиная с 0,2 низшего диапазона, составляет не более 1 %. Основная погрешность измерения по каналу «У» при работе с тензорезисторным
датчиком смещения, начиная с 0,2 значения каждого диапазона, составляет 1 % от измеряемой величины.
Перед проведением испытания к образцу необходимо прикрутить
накладки для укрепления на нем датчика смещения (см. рис. 11.6).
Далее нажатием кнопок «Силовая цепь», «Цепи управления», включением тумблеров «Сеть» запустить испытательную машину. Образец установить в захватах испытательной машины (рис. 11.10), укрепить на нем датчик смещения, позволяющий регистрировать раскрытие трещины. После установки датчика включить двухкоординатный
потенциометр для записи диаграммы, тумблерами «Диапазоны» установить необходимые диапазоны нагрузки и масштаба записи деформации, ручкой «Установки нуля» выставить каретку потенциометра на нуль. После подготовки машины к работе включить кнопки
«Пуск» на пульте машины и на потенциометре, установить скорость
перемещения траверсы примерно 3 мм/мин.
После разрушения образца нажать кнопку «Стоп» на пульте машины
и на потенциометре записи диаграммы, освободить датчик смещения и
половинки образцов вынуть из захватов. Нажатием кнопок «Силовая
цепь» и «Цепи управления» выключить испытательную машину.
Рис. 11.10. Схема установки образца в захватах испытательной машины
81
4. На разрушенном образце измерить длину усталостной трещины
в трех точках с точностью до 0,01 мм на инструментальном микроскопе УИМ-21. На оптическом длинометре «САRL ZEIS JENA» измерить толщину каждой из половинок образца в самом узком месте
Bk для определения утяжки ϕC = [(t – tC)/t]100 %.
5. На диаграмме «нагрузка – смещение» найти РQ, PD и РС и, пользуясь формулами (11.10) и табл. 11.1 и 11.2, вычислить KQ. Установить правомерность испытания по критериям
tPK = 2,5(KQ/σ0,2)2; tPK /t ≤ 1;
PС ≤ 1,1PQ либо PC ≤ 1,1PD;
ϕС ≤ 1,5 %
и сделать вывод о соответствии вычисленных значений KQ величинам KIC, КС*, КQT, КС.
6. Рассчитать значения предела трещиностойкости IC и сделать
вывод о его соответствии величинам KIC либо КС.
7. Результаты испытаний занести в протокол.
Библиографический список
Броек Д. Основы механики разрушения: Пер. с англ. М.: Высш.
шк., 1980. 368 с.
ГОСТ 25.506–85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.
Контрольные вопросы
1. Что такое коэффициент интенсивности напряжений? Каков его
физический смысл? Его размерность?
2. Что такое вязкость разрушения?
3. В чем основной недостаток метода расчета конструкции по значениям σ0,2 и σВ?
4. В чем отличие расчета конструкции по величине KIC от всех
других расчетов на прочность?
5. Почему разрушающее напряжение при определении KIC должно
быть значительно меньше предела текучести?
6. Каким способом достигается состояние плоской деформации у
вершины трещины при определении KIC?
7. Каковы требования к условиям наведения усталостной трещины и чем они вызваны?
82
8. Как при определении KIC учесть возможную пластическую деформацию у вершины трещины? В каких случаях учесть ее невозможно?
9. Каков основной критерий корректности испытания на вязкость
разрушения?
10. В чем разница между критериями KQ и KIC, KIC и КС*, КQT, КС?
11. Как правильно выбрать размеры образца для испытания на
вязкость разрушения?
12. Как выбрать тип образца для испытания на вязкость разрушения?
83
Приложение
Протокол испытаний
Марка стали
Термообработка
Механические свойства
Единицы измерения
σ0,2
МПа (кгс/мм )
2
Расчетные параметры испытания
Толщина
Диапазон
Диапаобразца t,
нагрузок
зон скомм
Р, кН
ростей
нагружения,
мм/мин
Тип образца
Вид заготовки
Место вырезки
Толщина
образца t
Ширина
образца
b
Е
σВ
δ
ψ
%
KCU
Дж/см2
(кгс·м/см2)
Режим наведения
усталостной трещины
Pmin, Pmax, ℓ0,
кН
кН
мм
Основные размеры, мм
Расстояние L
Глубина
между опорами
надреза
(зажимами)
h
84
–
Масштаб записи
диаграммы
по Р,
кН/мм
Ширина
надреза
е
Результаты испытаний
Скорость нагружения, мм/мин
Тип диаграммы (схематический рисунок)
t0,
PQ
PC
KIC
KC
KQT KC*
P5
Среда
°C
кН
МПа · м1/2
мм
HRC
по δ,
мм/мм
Длина трещины вместе с
надрезом ℓ0
IC
δC
%
φC
БЕЛОМЫТЦЕВ Михаил Юрьевич
КУДРЯ Александр Викторович
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Часть 3. Вязкость. Разрушение
Лабораторный практикум
Редактор Л.В. Иванкова
Компьютерная верстка А.В. Калинкиной
Подписано в печать 01.12.08
Бумага офсетная
Формат 60 × 90 /16
Печать офсетная
Уч.-изд. л. 5,31
Рег. № 978
Тираж 400 экз.
Заказ 2034
1
Государственный технологический университет
«Московский институт стали и сплавов»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Издательский Дом МИСиС,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 2
Тел.: 647-23-09, 954-19-22
Отпечатано в типографии Издательского Дома МИСиС,
117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9
Тел.: 954-73-94, 954-19-22
85