Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Для надежности деталей конструкций очень существенным критерием является склонность материала к отказу вследствие хрупкости при перегрузке. Для оценки надежности против хрупкого разрушения необходимо выбрать такие условия испытаний, которые были бы способны выявить хрупкую трещину. Необходимыми условиями для выявления хрупкости материала являются следующие: многоосные напряженные состояния; высокие скорости нагружения; низкая температура.
Критерии оценки хрупкого разрушения подбираются различными путями с применением множества различных способов испытания и форм образцов.
Испытания на ударный изгиб
Сравнительно простым испытанием для характеристики вязкости материала является испытание на ударный изгиб. Образцы с надрезом, имеющие опоры с обеих сторон, ломаются путем изгиба в устройстве. При этом измеряется расход работы маятника на разрушение (рис. 3.1.6). Он получается из разницы высоты падения h1 молота и достигнутой высоты размаха h2 после разрушения образца. Расход работы Av, Дж, при весе маятника G равен
Затраченная на разрушение работа, отнесенная к испытанному поперечному сечению, называется ударной вязкостью ak, Дж/см2:
Чтобы получить полную оценку вязкости, необходимо показать зависимость ударной вязкости от температуры в виде диаграммы Av-Т. Важным критерием при этом является температура перехода, т.е. температура спада ударной вязкости по вертикали от верхнего до нижнего уровня (рис. 3.1.7). В нижнем положении разрушение происходит без деформации, обнаруживает в структуре излома одинаковую кристаллическую морфологию.
В зависимости от величины и формы надреза имеется множество различных видов образцов, некоторые из которых представлены на рис. 3.1.8. В способе испытаний также существует несколько вариантов. Например, рассматривается зависимость вязкости от различной остроты надреза (испытание Шнадта) или от различной скорости удара (ротационный копер). Повышение информативности испытания ударом обеспечивается путем использования измерительной аппаратуры. При этом на маятниковом копре записываются графики изменения сил во времени или от величины прогиба образца.
Опыты по определению запаса прочности и выявлению трещин
Условия испытания на ударный изгиб образца с надрезом позволяют классифицировать материалы в основном только качественно. Чтобы перейти к реальным частям конструкций и уловить вновь введенную трещину для оценки качества материала, было разработано множество способов испытания со специфической информативностью. При этом тенденция идет в направлении увеличения размеров образцов и моделирования соотношений размеров детали, содержащей трещину. В частности, благодаря этому стали лучше решаться проблемы переноса лабораторных результатов, которые заключаются не только в рассеивании свойств при больших размерах детали, но также и в том, что ниже температуры, при которой критическое напряжение детали с надрезом соответствует пределу текучести, критическое напряжение Rm обратно пропорционально корню квадратному из величины погрешностей f:
Небольшие образцы, содержащие лишь маленькие трещины, не могут таким образом, характеризовать степень повышения охрупчивания, которое на практике может появиться при большой длине трещин и размерах детали. Представленные отношения выражаются в диаграмме анализа испытания на разрыв по Пеллини. Там указывается соответствующее номинальное напряжение для различных величин погрешносте в зависимости от температуры при растрескивании образца (рис. 3.1.9, а).
При полном пластичном поведении выше температуры FTP (Fracture Transition Plastic, пластичность перехода при изломе) наступает вязкий разрыв при достижении предела прочности на растяжение Rm (на рисунке используется старое обозначение σв) из испытания на одноосное растяжение. Пластичность, ограниченная снижающейся температурой, означает, что напряжения на острие трещины нельзя больше пластически уменьшить и что, таким образом, при локальных концентрациях напряжения можно вводить разрыв ниже предела прочности на растяжение Rm, причем в пределах определенного температурного диапазона создается зависимость напряжения разрыва от величины погрешности.
Точка, при которой номинальное напряжение излома достигает предела текучести Rp, называется точкой FTP (Fracture Transition Plastic, упругость перехода при изломе). При температуре ниже этой точки остановка начавшейся трещины возможна лишь тогда, когда нагрузки ниже предела текучести. Температура, при которой предел текучести достигает при бездефектном образце предела прочности при растяжении, т.е. пластичность больше не существует, называется температурой NDT (Nil Ductility Transition, перехода нулевой вязкости). Ниже этой температуры напряжение излома зависит только от концентрации напряжения на пике трещины, т.е. от величины дефекта.
Состояние переходной температуры в зависимости от величины дефекта определяется не только свойствами материала при одноосном испытании на растяжение, но также и толщиной детали или образца. Для проверки характеристики излома или способности материала улавливать трещины применяются различные образцы в различных вариантах. Испытание на вздутие и взрыв EBT (Explosion-Bulge-Test) по Пеллини и испытание на падение груза DWT (Drop— Weight—Test) вместе с диаграммой хрупкого излома дают возможность определения температуры, которая ведет при данной толщине листа к хрупкому распространению трещин ниже предела текучести. Ниже температуры NDT (перехода нулевой вязкости) ЕВТ-образец испытания на вздутие и взрыв показывает растрескивание без деформации, выше FTP (пластичности перехода при изломе) происходит деформация только с короткими трещинами (рис. 3.1.9, б).
При испытании на падение груза (DWT) пластина прогибается под весом падающих частей. На стороне растяжения благодаря хрупкому наплавленному валику с поперечным надрезом начинается образование трещины, которая прекращается в зависимости от температуры после проникновения в поперечное сечение пластины на различную глубину (рис. 3.1.10). Температура, при которой трещина в пластине как раз больше не улавливается, является температурой нулевой вязкости, NDT.
Для определения склонности к хрупкому излому или температуры стягивания трещин стали пригодно также испытание Робертсона (Robertson Test) (рис. 3.1.11). При этом образец статически нагружается перпендикулярно направлению распространения трещины. С одной стороны образец значительно охлаждается, с другой — нагревается. При ударе молота по охлажденной стороне образуется трещина, которая идет в направлении возрастающей температуры по образцу и при определенной температуре — температуре прекращения растрескивания CAT (Crack Arrest Temperature) — останавливается.
Испытание на механику разрушения
Описанных способов для классификации материалов по характеристике хрупкого излома недостаточно, если для гарантии против образования трещин и излома необходимы показатели, делающие возможной математическую оценку. Реальный материал во многом отклоняется от упругого континуума, так что абсолютно "бездефектного” материала в строгом смысле не существует (рис. 3.1.12). Естественные дефектные структуры материала, так же как и примеси, микротрещины и поры, представляют в структуре области пиков напряжений и являются, таким образом, причиной неоднородного распределения напряжений.
С помощью имеющихся в настоящее время глубоко проникающих способов испытаний могут определяться и очень маленькие дефекты, так что зачастую нужно решать, допустимы ли определенные величины дефектов в конструкционной детали или при данных эксплуатационных условиях существует угроза отказа из-за хрупкости. Размеры дефекта, которые находятся ниже предела распознаваемости применяемых способов испытания, должны предполагаться при оценке надежности как существенные.
Основы, необходимые для оценки надежности реальных материалов, подготавливаются сведениями из механики разрушения. Механика разрушения исходит из того, что материал имеет трещины и дает критический показатель вязкости разрушения Kc, при превышении которого наступает выход из строя (отказ) конструкционной детали. Критическая вязкость разрушения, таким образом, является критической интенсивностью напряжения у пика трещины, при которой трещина становится нестабильной, т.е. начинает двигаться под действием упругой накопленной энергии.
В зависимости от вида раскрытия трещины, при которой определяется вязкость разрушения, обозначается коэффициент интенсивности напряжений знаком КI-, KII- или KIII-значение (рис. 3.1.13). Самым точным критерием оценки, применяемым преимущественно для оценки надежности, является форма трещины I (KI-значение). Для определения значения известен ряд форм образцов. Большое распространение имеет СТ-образец (Compact—Tension—Probe, компактный образец для испытания на растяжение). У этого образца со стороны одностороннего надреза циклически создается трещина заданной длины, а затем под действием растягивающей нагрузки образец ломается в испытательной машине в динамическом режиме (рис. 3.1.14). При испытании на растяжение на самописец в осях х—у записывается диаграмма распространения трещины по отношению к растягивающему усилию.
Распространение трещины измеряется тензометром, установленным на механически созданном надрезе у компактного образца для испытания на растяжение (рис. 3.1.15). На основании распространения трещины можно установить, что пластической зоной в пике трещины можно пренебречь, что могут применяться условия упругой механики разрушения. Чтобы обеспечить эти условия в зависимости от показателей статической прочности, задаются размеры образца, обеспечивающие равное состояние распространения.
При наличии пластической зоны перед пиком трещины, которой уже нельзя пренебречь, используются другие концепции механики разрушения: это COD (Crack Opening Displacement, смещение отверстия при растяжении) и концепция J-интеграла (J—Integral—Konzept), а также определение кривых сопротивления образованию трещин (R-кривые).
Чтобы по концепции линейно-упругой механики разрушения, т.е. при допущении линейно-упругой деформации до излома, получить значение как
показателя материала, расчет параметров образца на испытание механики излома производится так, что состояние растяжения испытывается медленно. Полученное при этом значение KIc не зависит от толщины образца. С помощью уравнения
можно при известном значении KIc указать наибольшую допустимую нагрузку σc при определенной величине дефекта lc (рис. 3.1.17). В коэффициенте M учитываются форма и расположение трещины, а также величина пластической зоны у пика трещины. Принимая во внимание KIc-значения при выборе материала, можно признать, что оказывается, весьма разумно при одинаковой прочности на разрыв применять высоколегированную сталь (например, мартенситностареющую) вместо простой термообработанной стали, так как при равной прочности достигается лучший запас надежности против разрушения (рис. 3.1.18).
Равным образом с учетом расчетных критериев механики разрушения становится ясно, что материалы с очень высокой прочностью значительно чувствительнее к небольшим дефектам и повреждениям. В экстремальном случае это является причиной сильного разброса показателей прочности очень хрупких материалов, например у технической керамики. Там уже очень небольшие дефекты становятся критическими для стойкости детали, так что расчет нужно производить не по обычным показателям прочности, а по размерам дефектов, имеющихся в детали, и их разбросу.
