Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 [ 34 ] 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

алов более значительно, чем в закаленных и состаренных сплавах.

Частицы избыточных фаз содержатся в структуре многих сплавов, не подвергающихся дисперсионному или дисперсному упрочнению. Они могут образовываться при кристаллизации, выделяться илн видоизменяться в процессе деформации, отжига и т. д. Такие частицы по размерам и расстоянию между ними обычно на порядки больше, чем те, которые обеспечивают максимальное упрочнение, например, при старении или внутреннем окислении. Двух- и многофазные сплавы с такими частицами рассматривают как механические смеси, свойства которых аддитивно складываются из свойств отдельных фаз, составляющих данную смесь. Строго говоря, правило аддитивности должно выполняться только в том случае, если в процессе испытания все фазы принимают одинаковое участие в деформации образца. В реальных сплавах свойства разных фаз обычно существенно различаются. Если, например, основная фаза относительно мягка и пластична, а избыточная - тверда и хрупка, то деформация образца осуществляет.:я в основном в результате деформации матрицы, правило аддитивности не выполняется, хотя, конечно, с увеличением объемной доли твердой фазы прочностные свойства сплава растут, а пластичность падает.

Большое значение имеет характер распределения крупных частиц избыточных фаз в гетерофазных сплавах. Если они хрупки и располагаются в виде сплошных цепочек по границам зерен, то сплав имеег низкие пластичность (6 и if) близки к нулю) и прочность. Если же они равномерно распределены по объему сплава в виде компактных включений, то механические свойства выше. Компактные (например, сферические) включения второй фазы повышают характеристики предельной прочности и пластичности по сравнению с игольчатыми и пластинчатыми частицами, даже если последние распределены только по телу зерна. Все эти факты можно объяснить большей легкостью зарождения и развития трещин вдоль или вблизи границ зерен, занятых избыточными выделениями, и вдоль вытянутых частиц хрупкой фазы.

Выше отмечалось, что частицы избыточных фаз, более хрупкие, чем матрица, снижают характеристики пластичности. Но в некоторых случаях возможно и повышение пластичности при введении дозированного количества частиц определенной формы благодаря уменьшению длины зародышевых трещин (см. гл. IV).

Частицы избыточных фаз обычно усиливают анизотропию механических свойств деформированных сплавов. Прн обработке давлением эти частицы вытягиваются вдоль направления (и плоскости) деформации, образуя характерную строчечность. Характеристики пластичности, а часто и прочности, определяемые на образцах, ось которых перпендикулярна направлению деформации при обработке, значительно ниже, чем у продольных образцов. Например, прессованная полоса из сплава Д16 после закалки и искусственного старения имеет следующие свойства при растяжении образцов, вырезанных в различных направле-

ниях

Направление вырезки .....а,2* МПа (Гц, МПа

Долевое .... 390 495

Под углом 45° к направлению прессования .... 307 426 Высотное .... 325 402

5, МПа 587

470 427

6. применение концентраторов напряжений при статических испытаниях

Самым жестким из стандартных статических испытаний гладких (без надрезов) образцов является испытание на растяжение с а = 0,5. Для многих пластичных конструкционных материалов такой жесткости недостаточно для хрупкого разрушения даже при глубоких отрицательных температурах. Но в реальных условиях эти материалы часто разрушаются хрупко в первую очередь из-за наличия различных концентраторов напряжений - механических надрезов, поверхностных и внутренних трещин, резких переходов от толстого к более тонкому сечению и др. Поэтому их конструкционная прочность может оказаться значительно ниже, чем определенная методом обычных статических испытаний. Необходима, следовательно, постановка специальных испытаний для оценки «чувствительности материала к концентрации напряжений.

Испытания образцов с надрезом

Наиболее известные и распространенные испытания с применением концентраторов напряжений - испытания на растяжение и изгиб образцов с надрезом. На образцы круглого сечения обычно наносят кольцевой надрез, на прямо-

По данным П. Г. Мнкляева, Г. С. Нешпора и В. Г. Кудряшова. 14* 211

угрльные образцы для растяжения - симметрично но двум сторонам сечения, а на образцы для испытаний на изгиб - вдоль одной стороны сечения перпендикулярно продольной оси.

Надрез существенно влияет на распределение нормальных напряжений. На рис. 114 показана схема распределения нормальных напряжений в сечении кольцевого надреза, стенки которого расположены под углом 45° к продольной оси растяжения образца. Схема относится к области упругой деформации. В месте надреза возникает объемное растяжение, и /тях снижается. К тому же у основания надреза величина нормальных напряжений 5ь 52 и 5з, особенно Si (продольных), оказывается намного больше, чем в центре сечения. Это приводит к снижению коэффициента мягкости испытания и является основной причиной преждевременного разрушения образцов и конструкций с надрезом. В плоском образце в области надреза возникает схема двухосного растяжения. Для количественной оценки жесткости надреза используют коэффициент концентрации напряжений - отношение наибольшего напряжения к номинальному (без учета неравномерности распределения напряжений). Например, в случае растяжения образца с круговой выточкой (см. рис. 114) коэффициент концентрации нормальных напряжений

Рис. 114, Схема распределения нормальных напряжений в сечении надреза растягиваемого образца

eta - SimJS,

(70)

где S = P/F, F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Коэффициент концентрации напряжений определяется геометрией надреза. Чем больше глубина и острота послед- него, тем он жестче, тем легче получить хрупкое разрушение. Практически для любого, даже очень пластичного металла можно подобрать такие форму и размеры образца и надреза, которые обеспечат хрупкое разрушение в заданных условиях испытания.

Критерием чувствительности материала к надрезу слу-

жит отношение условных пределов прочности гладкого и надрезанного образцов (ов/а). Чем оно больше, тем силь-н-ее чувствительность данного материала к надрезу; максимально и всегда больше единицы это отношение у хрупких материалов. Для высокопрочных сплавов Ов/а" также обычно больше единицы, особенно если показатели пластичности образцов с надрезом сильно снижаются по сравнению с гладкими. Для пластичных сплавов это отношение может быть меньше единицы, если жесткость надреза недостаточна и образец с надрезом имеет возможность пластически деформироваться. Например, образцы стали ЗОХГСА диаметром 10 мм с кольцевым надрезом глубиной 1 мм и углом надреза 0 = 60° имеют о\ на 60 % выше Ов-

Для получения сопоставимых результатов важно унифицировать форму образцов и методику испытаний. В наиболее распространенных испытаниях иа растяжение

п. =оо

Змм 7мл

0,5мм

0,25tiM

Рис. 115. Схемы диаграмм растяжения образцов с разнь[м радиусом надреза г

угол надреза со (см. рис. 114) задается в пределах от 45 до 60°, радиус закругления глО,! мм, а относительное сужение в месте надреза ifH=(]-)/a = 25-f-50 7о.

На рис. 115 показано влияние одной из характеристик надреза -его остроты (радиуса на рис. 114) - на геометрию диаграммы растяжения стали. Видно, что с уменьшением Га величина Ов сначала растет, а затем снижается, удлинение же уменьшается плавно.

Чаще всего испытания образцов с надрезом проводят по схемам одноосного растяжения, а также изгиба. При других схемах статического нагружения влияние надрезов ме-

нее заметно. Например, при испытании на кручение образцов с кольцевым надрезом прочность многих сталей и алюминиевых сплавов получается примерно такой же, как и при испытании гладких образцов.

Наиболее широко распространен метод растяжения надрезанного образца с перекосом, который обеспечивается установкой под его головку в одном из захватов испытательной машины косой шайбы с определенным углом перекоса. Значения характеристик пластичности 6) образцов с надрезом хорошо скоррелированы с чувствительностью к перекосу. Обычно повышение пластичности снижает чувствительность и к надрезу, и к перекосу. Испытания на растяжение с перекосом образцов с надрезом максимально выявляют различия свойств гладких и надрезанных образцов.

Испытания образцов с надрезом характеризуются худшей воспроГкЗводимостью результатов, чем при испытании гладких образцов, и требуют поэтому использования большего числа образцов. Значительный разброс данных при !1спытании образцов с надрезом связан с неоднородностью нх деформации: надрез, повышая напряжение у своей вершины, одновременно снижает напряжения в других частях сечения. Поэтому для повышения конструкционной прочности наносят так называемые разгружающие надрезы, которые располагаются в менее напряженных местах н должны быть более мягкими, чем основной надрез. Такие разгружающие надрезы, несколько повышая напряжения в местах нанесения, уменьшают их у вершины основного надреза и, следовательно, приводят к более равномерному распределению напряжений и деформаций, обеспечивая повышение прочности конструкций.

Испытания на вязкость разрушения

В последние годы все большее распространение получают статические испытания образцов с надрезом и трещиной для определения вязкости разрушения - сопротивления распространению трещины. Эти испытания особенно важны для высокопрочных сплавов, которые могут иметь удовлетворительные характеристики пластичности при обычных испытаниях, но хрупко разрушаться при наличии надрезов и трещин в реальных конструкциях.

Теоретической базой испытаний на вязкость разруЩ;е-иия является линейная механика разрушения, анализирующая распределение }1апряжений у переднего края трещины (см. гл. IV). Наибольшее развитие получили испытания

для определения коэффициента интенсивности напряжений при плоской деформации Kic. Эта характеристика стала важнейшим количественным критерием разрушения высокопрочных металлических материалов.

Принципиальным преимуществом Kic по сравнению с другими характеристиками предельной прочности (например, Ов, Sb, Sk при растяжении, th при кручении) является то, что вязкость разрушения учитывает и длину трещины. Любой критерий разрушения, выраженный через напря-ние, предполагает, что разрушение происходит мгновенно по достижении этого напряжения. На самом деле всякое разрушение - это результат развития трещины, и поэтому характеристика предельной способности к торможению разрушения должна включать не только напряжение, но и длину трещины.

На базе линейной механики разрушения предложен, помимо Kic, и ряд других критериев. Для листовых материалов, в частности, определяют вязкость разрушения Кс в условиях плоского напряженного состояния (Kic измеряется при объемном напряженном состоянии у вершины трещины). Но Kic отличается хорошей воспроизводимостью при экспериментальном определении, независимостью от формы и размеров образцов, если соблюдаются условия правильного проведения испытаний, методика которых фактически стандартизована в международном масштабе.

Их проводят предпочтительно по схеме изгиба или вне-центрированного растяжения. В обоих случаях используюг образцы с прямоугольным поперечным сечением (а = /2) и односторонним надрезом с о) = 30-г60° длиной 0,25-0,45 & (рис. 116, а, б). Помимо надреза, в образец перед началом испытания должна быть введена усталостная трещина (см. гл. IX). Она инициируется надрезом и развивается от его вершины в глубь образца. Размер / (см. рис. 116) соответствует общей глубине надреза, которая складывается из длины трещины и высоты механически нанесенного надреза. Отношение / к высоте сечения b должно быть в пределах 0,45-0,55.

Соотношения всех размеров образца, надреза и трещины имеют в этих испытаниях особое значение, поскольку они должны обеспечить условия плоской деформации у вершины трещины и упруго-напряженное состояние вдали от нее. Только в этом случае возможно правильное определение вязкости разрушения Kic. Основное требование к размерам образца сводится к тому, чтобы толщина сечения а была не меньше 2,5 (/Cic/ao,2), где 00.2 - условный