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

ударном испытании определить трудно. Поэтому при расчете ударной вязкости полную работу деформации разрушения относят не к объему, а к площади F поперечного сечення в надрезе, что, строго говоря, не имеет физического смысла. При испытании стандартных образцов величина F постоянна и, следовательно, ударная вязкость прямо пропорциональна полной работе К. Поскольку в разных материалах или при различных температурах испытания пластически деформируются различные объемы, то при одинаковых значениях К получаются разные величины удельной работы (в расчете на единицу объема). Ударная же вязкость в этом случае оказывается одинаковой.

Таким образом, характеристика ударной вязкости КС является условной, и это необходимо учитывать прн сопоставлении разных материалов.

Как уже отмечалось, одной нз важнейших задач ударных испытаний является оценка склонности к хрупкому разрушению. Эта задача решается построением температурной зависимости ударной вязкости и определением температуры хрупко-вязкого перехода. Возможны три типа кривых ударная вязкость - температура (рис. 134). Кривая } характерна для вязких даже при отрицательных температурах материалов, например металлов (медь, алюминий) и сплавов (аустенитные стали) с г. ц. к, решеткой. Кривая 2 получается при испытании хрупких в широком диапазоне температур материалов, например закаленных на мартенсит сталей. Наконец, кривая 3 характеризуется температурным интервалом хрупко-вязкого перехода, по ней можно оценить Гхр. Такой тип кривых КС-Т типичен для металлов с о. ц. к. и г. п. решетками, многих сталей с феррито-перлитной структурой. Зная Гхр и рабочую температуру Гр испытуемого материала, можно оценить его температурный запас вязкости: %= (Тр-Тр)/Тр. Чем больше X, тем меньше опасность хрупкого разрушения.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе четко различается по виду излома (блестящий «кристаллический» илн матовый, волокнистый), Гр можно определять по структуре излома. За Гр принимают температуру, при которой в изломе появляются первые участки хрупкого разрушения или он становится полностью хрупким. Возможна также оценка Гр как температуры, соответствующей равным долям хрупких и вязких участков разрушения в изломе.

Динамические испытания на изгиб надрезанных образцов являются самыми жесткими среди стандартных йены-

таний. Для оценки температуры хрупко-вязкого перехода эти испытания применяют в тех случаях, когда статические испытания не позволяют выявить эту температуру (образцы пластичны вплоть да глубоких отрицательных температур). Полезны они и для оценки этой температуры у материалов, которые могут подвергаться ударным нагруже-ииям при эксплуатации. Наконец, ударные испытания часто используют для определения «максимальной» Гхр. Действительно, переход в хрупкое состояние в условиях динамического нагружения происходит при более высоких температурах, чем при статических испытаниях. Поэтому оценка склонности к хрупкому разрушению в наиболее жестких условиях представляет самостоятельный интерес.

Определение температуры хрупко-вязкого перехода по температурной зависимости ударной вязкости имеет ряд принципиальных недостатков. Главный из них заключается в том, что ударная вязкость характеризует суммарное сопротивление образца пластической деформации и разрушению. Определяя же Гхр, мы стремимся оценить только сопротивление разрушению, т. е. распространению трещи-ны. Для того чтобы выделить эту составляющую полной работы Кп, используют следующий метод. На копре с постепенно увеличивающимся запасом работы маятника (увеличением угла а, рис. 132) испытывают несколько образцов и строят зависимость угла загиба от полной работы Кп (рис. 135). Если образцы (при малых углах подъема маятника) не разрушаются, то величину Кп принимают равной запасу работы маятника РЯ=1(1-cos а). Угол загиба практически линейно возрастает до определенной величины ртах НО мере увеличения поглощенной энергии, а затем остается постоянным. Момент достижения р mas соответствует минимальной работе Кс, при которой уже происходит разрушение. Следовательно, можно считать, что после появления трещины у надреза ее дальнейшее распространение не требует дополнительной пластической деформации образца. Тогда работу удара, которая затрачивается только на разрушение (распространение трещины), можно определить как /(разр = п-Кугф-Кпл, где Кп-полная работа, затраченная маятником (правее точки b на рис. 135 К„ = К); /(упр - работа, пошедшая на упругую деформацию (отрезок Оа, отсекаемый восходящей прямой аЬ на оси абсцисс); 7(пл -работа, затраченная на пластическую деформацию.

Температуры, ниже которых /Сразр материала близки к нулю, опасны для его практического использования, по-

скольку возникшая по какой-либо причине трещина может самопроизвольно развиваться, не требуя для своего роста почти никакой подводимой извне энергии.

Полную работу К (илн ударную вязкость КС) можно разделить на составляющие, определяющие работу зарождения и работу распространения трещины. Для этого при заданной температуре испытывают несколько образцов при двукратном приложении ударной нагрузки. Первый удар

Рис. 135. Схема определения составляющих работы ударного изгиба (Л. с. Лившиц, А. С. Рахманов)

Рис. 136. Схема разделении ударной вязкости на составляющие (Отанн)

Длина треи{ины

наносят маятником, поднятым на заведомо меньший угол, чем необходимо для полного разрушения. При этом вблизи надреза зарождается трещина. Затем наносят разрушающий образец второй удар, подняв маятник на высоту, используемую прн стандартных испытаниях, фиксируют величину ударной вязкости КС и измеряют глубину полученной при первом ударе трещины /, например, с помощью 10 %-н.ого щелочного раствора двухлорнстой меди, который окрашивает трещину из-за осаждения иа ее поверхности Слоя меди. Исходя из того, что при втором ударе работа, пропорциональная КС\ расходуется только на распространение трещины, строят диаграмму в координатах длина трещины 1~~КС"{КС"КС-КС), где КС-стандартная ударная вязкость, определенная в результате однократного удара (рис. 136). Точка пересечения прямой /-КС" с осью абсцисс дает величину КСз, пропорциональную работе зарождения трещины, а разность КС-КСз= = КСр - долю ударной вязкости, приходящуюся на распространение трещины.

Показано, что работа распространения трещины не меняется при изменении остроты надреза и становится ни-

чтожно малой прн температурах, более высоких, чем обычная Гхр, когда ударная вязкость еще достаточно высока. Следовательно, большая величина КС не гарантирует вязкого разрушения. В реальных условиях материал может оказаться хрупким, так как энергия распространения в нем трещины близка к нулю.

Разделить ударную вязкость на две составляющие - КСз и КСр-можно, построив зависимость КС от радиуса

/СС(/, Дж/см KrJO,3W,{ina-m

1 fr

Рис. 137. Схема зависимости ударной вязкости от радиуса надреза

Рнс. 138. Зависимость различных критериев хрупкости армко-железа от температуры (В. С Иванова F др)

-200 -too О 100"С

кривизны надреза г. Действие очень острого надреза аналогично действию зародышевой трещины. Поэтому при значениях радиуса закругления надреза, меньших какого-то критического, величина ударной вязкости будет постоянна. В координатах KC - Vr эта зависимость будет иметь вид, схематично показанный на рис. 137. Постоянный уровень значений ударной вязкости при гГкр соответствует /(Ср, пропорциональной работе распространения трещины, а КСз = КС-/(Ср.

Описанные выше нестандартные методы ударных испытаний на изгиб наглядно демонстрируют сильное влияние трещин на результаты определення динамических свойств. Учитывая это, а также большую вероятность наличия трещин в реальных конструкциях, важно разработать такую методику, которая бы позволяла проводить испытания образцов с заранее внесенной в них треш!1ной. Такие методы опробовались в последние годы, н ГОСТ 9445-78 уже предусматривает испытания образцов с предварительно введенной усталостной трещиной. Работу уда-

pa КТ (и величину ударной вязкости КСТ) таких образцов можно считать полностью затраченной только на распространение трещины. Естественно, что абсолютные значения КСТ всегда меньше, чем KCU и KCV.

Различные методы оценки ударной вязкости дают разные температурные области перехода из хрупкого со-

Дж1см

Шробпъ деформации

Рнс. 139. Схема зависимости вязкости разрушения от скорости деформации

Рнс. 140. Зависимость механических свойств н температуры хрупко-вязкого перехода сталей с феррито-перлитной структурой от концентрации углерода (М. Л. Берн-штейн)

0,2 ОЛ

0,8 С,%

стояния В пластичное. На рнс. 138 на примере армко-желе-зэ сопоставлены температурные зависимости различных критериев, определяющих склонность к хрупкому разрушению: вязкости разрушения Kic при статическом растяже-жении образца с надрезом (кривая /), ударной вязкости KCV (кривая 2), доли волокнистого излома (кривая 5), работы распространения трещины по Отани (кривая 4), работы разрушения при динамическом растяжении цилиндрического образца с кольцевым надрезом (кривая 5). Наиболее низкие значения Гхр получаются при использовании статического растяжения образца с надрезом (кривая У), наиболее высокие - при ударном нагружении, когда оценивается работа распространения трещины (кривые 4 и 5).

По динамическим испытаниям образцов с трещиной можно оценить динамическую вязкость разрушения при плоской деформации /Стд. Величина /(тд</Стс, поскольку о увеличением скорости деформации вязкость разрушения снижается (рис. 139).

Для экспериментального определения К\л, можно использовать стандартный образец с трещиной, но при этом

необходимо записывать диаграмму изгиба, чтобы определить разрушающую нагрузку Ртах, необходимую для расчета: KlA= (РгаахЛ)/(ВЯ/2) У, рд Q /У - ШИрИНЗ И ВЫ-

сота сечения образца; У - коэффициент, зависящий от отношения длины надреза и трещины к высоте сечення (hjH); М - расстояние между опорами маятникового копра.

По результатам ударных испытаний образцов с надре-зсзм и трещиной может быть определено и критическое раскрытие трещины 6сд=0,5(Я - h) (л/180) а, где а - угол изгиба.

Ударная вязкость, особенно КСТ, и характеристики динамической вязкости разрушения, определяя в основном сопротивление материала разрушению, зависят от состава и структуры металла и сплавов во многом аналогично характеристикам трещиностойкости при статическом нагружении (см. гл. V).

Высокая ударная вязкость (более 20 - 80 Дж/см у разных групп сплавов) характерна для чистых по примесям, высокопластичных однофазных металлов и сплавов или гетерогенных по структуре сплавов с небольшим количеством избыточных фаз илн оптимальными их размерами и распределением. Легирование чаще всего снижает ударную вязкость (рис. 140). Очистка от примесей, особенно приводящих к образованию хрупких избыточных фаз, повышает ударную вязкость. В качестве примера можно привести следующие данные по алюминиевому сплаву Д16Т в виде прессованных полос 18x60 мм (В. П. Козловская и др.):

Fe, % . . . . 0,55 0,21 0,L0 Si, % . . . . 0,60 0.20 0,01 KCU. Дж/см2 . 16 26 36

Аналогично Kic меняется ударная вязкость и в зависимости от размера зерна, старения, направления вырезки образцов. Связь между Kic и работой разрушения при ударном изгибе образцов с трещиной хорошо иллюстрирует на примере титановых сплавов рис. 122.

Глава VH ТВЕРДОСТЬ

Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (инден-