А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

с выступом, по которому осуществляется удар, обычно охлаждается жидким азотом, а противоположная сторона подогревается газовой горелкой. Это создает градиент температуры по ширине образца. Образец нагружают растягивающей нагрузкой, проводят удар и отмечают границу остановившейся трещины и соответствующую температуру. В случае изотермического испытания оценка представляется в виде «трещина идет–трещина не идет» для различных температур и уровней напряжений.

Рис. 2.27. Схема испытания на остановку трещины по Робертсону:

1 – нагружающие штифты; 2 – тонкий надрез; 3 – место нанесения удара; 4 – точка остановки трещины; 5 – толщина пластины;

6 – вваренная секция высотой 76 мм

Испытание на остановку хрупкой трещины является одним из наиболее «жестких» испытаний. Для одного и того же материала температура остановки трещины, как правило, оказывается выше температуры нулевой пластичности. Испытание по Робертсону дает более резкий вязкохрупкий переход, чем испытание падающим грузом. При проведении испытаний на остановку трещины обязательным условием является равенство толщины образца с трещиной толщине листа исходного материала.

Специальные методы испытаний представляют значительный интерес, но для их проведения надо иметь мощные испытательные установки. Поэтому наиболее интересные испытания плит натурной толщины очень дороги. Попытки нахождения корреляции результатов этих испытаний и стандартных испытаний на ударную вязкость не привели к достаточно стабильным результатам.

111

Наиболее показательными являются натурные испытания изделий в реальных условиях эксплуатации. Однако проведение натурных испытаний, особенно при низких температурах, связано со значительными техническими трудностями. О работоспособности техники, эксплуатируемой при низких температурах, обычно приходится судить по статистическим данным, накопленным в результате наблюдений за работоспособностью изделий.

2.6.2. Влияние конструктивных факторов на сопротивление разрушению сталей

Разрушение обычно начинается вблизи концентраторов напряжений. Концентраторы могут быть технологическими (поры, раковины, горячие и холодные трещины, непровар и др.) и конструкционными (отверстия, выточки, резьба, места изменения толщины и др.). В местах концентрации напряжений зарождаются микротрещины, которые затем растут под действием циклических или термоциклических нагрузок, вследствие ползучести металла, воздействия коррозии и т. д. Субкритический стабильный рост трещины в изделии заканчивается окончательным доломом оставшегося сечения, чаще под действием статической или динамической перегрузки.

Сопротивление разрушению на стадиях зарождения и распространения трещины зависит не только от качества металла, но и от ряда таких конструктивных факторов, как острота и размер концентратора, геометрия и габариты изделия. Эти факторы совместно со схемой и условиями нагружения определяют напряженно- деформированное состояние в опасном сечении детали или элемента конструкции, а следовательно, и характер разрушения.

Влияние надреза на сопротивление разрушению можно проиллюстрировать с помощью схемы Иоффе–Давиденкова (рис. 2.28). В месте надреза пластическая деформация стеснена, что приводит к увеличению сопротивления пластической деформации и росту предела текучести. Рост предела текучести при сохранении неизменным сопротивления отрыву приводит к повышению температу-

ры вязкохрупкого перехода. На схеме имеется три характерные области: Т < Т гл; Т гл < Т < Т н; Т > Т н. В первом случае независимо

от наличия концентратора разрушение происходит хрупко, во втором – хрупко при наличии надреза и вязко при испытании гладкого

112

образца, в третьем случае – вязко.Таким образом, влияние концентраторов на сопротивление разрушению существенно зависит от соотношения фактической температуры испытания или эксплуатации и критических температур Тгл и Тн. На схеме температура Тк (Тгл) – критическая температура хрупкости, которая является константой материала при данной скорости нагружения и соответствует переходу в хрупкое состояние независимо от воздействия конструктивных факторов.

Рис. 2.28. Влияние надреза на склонность к хрупкому разрушению: ζтгл и ζтн – пределы текучести гладкого и надрезанного образцов; ζогр – сопротивление отрыву;

Ткргл , Ткрн – критические надрезы гладкого и надрезанного образцов

Температуру Тк (Тгл) правильнее называть просто критической температурой, так как она характеризует вязкохрупкий переход для конкретного вида образца или изделия.

Влияние концентраторов на характеристики разрушения изучали также при испытаниях на ударный и статический изгиб.

На рис. 2.29 приведены температурные зависимости ударной вязкости образцов с различной остротой концентратора: надрезами радиусом 1 мм; 0,25 мм и трещиной (типы образцов 1, 11 и 15 по ГОСТ 9454–78).

Длина концентратора также оказывает влияние на сопротивление разрушению стальных образцов или элементов конструкций. Для более глубокого надреза характерны меньшие значения ударной вязкости при вязком разрушении и в интервале вязкохрупкого перехода. При хрупком разрушении значения ударной вязкости практически не зависят от глубины надреза.

113

Рис. 2.29. Температурные зависимости ударной вязкости стали 38Х2Н2МА:

1, 2, 3 – образцы типа 1, 11 и 15 (ГОСТ 9454–78)

Геометрия изделий и, особенно, их размеры оказывают существенное влияние на сопротивление разрушению. Как правило, при увеличении размеров образцов энергоемкость разрушения несколько возрастает, а сериальные кривые характеристик разрушения смещаются в область более высоких температур. При увеличении размеров образцов склонность к хрупкому разрушению возрастает, что объясняется повышением степени стеснения пластических деформаций вблизи вершины концентратора.

Геометрия и схема нагружения образцов, деталей и элементов конструкций также влияют на склонность к хрупкому разрушению. Наиболее существенно влияние различного рода канавок в опасном сечении, способствующих стеснению пластических деформаций.

2.6.3.Циклическая трещиностойкость

Впроцессе эксплуатации трещины обычно зарождаются и раз-

виваются под действием циклических нагрузок или при их совместном воздействии с другими факторами. По мере развития трещины скорость ее роста, как правило, увеличивается за счет повышения эффекта концентрации напряжений. Окончательное разрушение происходит при достижении критического размера трещины.

Трещины, в том числе и усталостные, образуются в местах высоких локальных напряжений вблизи концентраторов, которыми могут быть неметаллические включения, крупные зерна, раковины,

атакже царапины на поверхности и т. п. Однако часто усталостные трещины развиваются от микротрещин, полученных еще на стадиях выплавки, обработки давлением и термообработки, сварки и пр.

114

Различают ряд стадий зарождения усталостной трещины в металле: 1) инкубационный период накопления в локальных объемах критической плотности дислокаций; 2) накопление обратимой повреждаемости в отдельных зернах; 3) стабильный начальный рост трещины.

При усталостном разрушении достаточно пластичных металлов на поверхности излома формируется регулярная волнообразная структура в виде бороздок. Ограничение возможности протекания пластической деформации, например в высокопрочных сталях, приводит к образованию слабо выраженных бороздок или их отсутствию. Более существенное стеснение пластических деформаций при низкотемпературных испытаниях стальных образцов достаточной толщины способствует появлению участков скола в изломе.

Для достаточно точного предсказания процесса роста усталостной трещины в конструкции необходимо в ходе испытания моделировать условия эксплуатации. Из множества факторов, влияющих на рост усталостной трещины, можно выделить основные: толщину детали; геометрию изделия; механические свойства; остаточные деформации; температуру; окружающую среду; частоту нагружения и форму цикла.

Влияние толщины детали обусловлено со сменой типа напряженного состояния. В сравнительно тонких стальных листах при уменьшении толщины трещина растет медленнее. Это связано с формированием плосконапряженного состояния и образованием сдвиговой усталостной трещины. В толстолистовых деталях этот эффект менее выражен. При достаточном стеснении пластических деформаций может наблюдаться обратный эффект, что может быть связано с изменением формы трещин и значительным искривлением их фронта.

Механические свойства сталей оказывают весьма сильное влияние на процесс роста трещин. Анализ их влияния усложняется тем, что трудно выделить какой-либо определяющий параметр. Таким образом, влияние на циклическую трещиностойкость оказывают все процессы, предшествующие получению готового изделия: выплавка, литье, обработка давлением, термообработка. Это приводит к тому, что возможны существенные колебания циклической трещиностойкости даже в изделиях одной партии.

115

3. ХЛАДОСТОЙКИЕ СТАЛИ КЛИМАТИЧЕСКОГО ХОЛОДА

Стали являются основным конструкционным материалом для изготовления механизмов, машин и конструкций, работающих при низких температурах.

Выбор хладостойкой стали оптимального состава – это всегда поиск компромисса между высокой прочностью и необходимой вязкостью и пластичностью.

С понижением температуры прочностные характеристики стали растут, а вязкость и пластичность уменьшаются. Поэтому при выборе стали для работы в этих условиях определяющими показателями являются: прочность – при максимальной температуре эксплуатации (обычно комнатной); вязкость и пластичность – при минимальной температуре.

Механические свойства и работоспособность сталей, применяемых для хладостойких конструкций, а также в холодильном

икриогенном машиностроении, зависят от многих факторов. Прежде всего к ним относятся тип кристаллической решетки, размер зерна и состояние его границ, содержание легирующих элементов

ипримесей, форма и размеры неметаллических включений. Повышенное содержание водорода увеличивает хрупкость стали. Сварка способствует росту зерна и дополнительному насыщению водородом, что еще больше повышает хладноломкость сварных соединений. Кроме того, нагрев при сварке может способствовать фазовым превращениям и выделениям примесей по границам зерен, что также повышает хрупкость стали.

Вязкость стали при низких температурах зависит от технологии выплавки. При использовании вакуумирования, обработки жидкими шлаками, электрошлакового переплава вязкость растет. Это связано с уменьшением количества неметаллических включений, понижением концентрации вредных примесей и газов. Рациональная организация раскисления и введение малых добавок ниобия, ванадия и титана способствуют измельчению зерна, повышению прочности и вязкости стали.

При выборе хладостойких сталей необходимо учитывать как специфические условия службы конструкции, обеспечение ее работоспособности и ресурса, так и требования экономичности мате-

116

риалов, связанные с уменьшением содержания никеля, молибдена и других дорогостоящих легирующих элементов, а также необходимость унификации материалов и сокращения числа применяемых марок стали. Определенную сложность представляет выбор необходимого уровня пластичности и вязкости.

Нормы по проектированию указывают рекомендуемый температурный диапазон применения каждого вида материала, используемого для хладостойких конструкций, сосудов давления, трубопроводов и другого холодильного и криогенного оборудования. Минимальная рабочая температура определяется температурой вязкохрупкого перехода, при которой вязкость резко падает. Однако справочная литература содержит мало систематизированных данных о пригодности того или иного материала для работы при низких температурах. Это объясняется сложностью количественной интерпретации влияния различных конструкторско-технологиче- ских факторов (размеров деталей, уровня остаточных напряжений, условий нагружения, вида напряженного состояния и др.) на надежность машин и конструкций, эксплуатируемых при низких температурах.

Пластичность и вязкость в конструкторские расчеты не входят и являются качественными показателями. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации и перераспределять напряжения в зонах их концентрации,

авязкость – способность поглощать работу внешних сил при разрушении. В обычном машиностроении условно принято считать пластичность удовлетворительной, если δ ≥ 15 %. Вместе с тем, хотя при 20–77 К аустенитные хромоникелевые стали имеют δ ≥ 40 %,

ааустенитные дисперсионно-твердеющие – всего лишь δ ≥ 10 %, стали обоих типов достаточно надежны при эксплуатации.

Широко принятым критерием работоспособности является ударная вязкость надрезанных образцов. В разных странах принят различный приемлемый уровень вязкости. За рубежом сталь обычно допускается к эксплуатации, если ее ударная вязкость, определенная

на образцах 10 х 10 х 55 с надрезом радиусом 0,25 мм (образец Шарпи или типа 11 по ГОСТ 9454–78), составляет KCV ≥ 20 Дж/см2.

В наших условиях чаще применяют образец с надрезом радиусом 1 мм, но устанавливают допустимое значение KCU ≥ 30 Дж/см2.

117

3.1. Хладостойкость

Легирующие элементы оказывают влияние на размеры зерен, состояние их границ, количество, форму и распределение фаз в стали.

Механические свойства и хладноломкость стали определяются прежде всего тремя механизмами упрочнения:

1)измельчением зерна;

2)упрочнением феррита атомами легирующих элементов

ипримесей, образующими твердые растворы внедрения и замещения;

3)упрочнением выделениями частиц второй фазы различной степени дисперсности.

Известно, что углерод образует с железом твердые растворы внедрения и является эффективным упрочнителем. Однако его растворимость в феррите невелика, что приводит к снижению упрочняющего эффекта. Высокая прочность мартенсита закалки сопровождается снижением пластичности и вязкости и необходимостью проведения отпуска. При отпуске образуются карбиды, мартенсит обедняется углеродом и снижается действие твердорастворного механизма упрочнения. Образующиеся довольно крупные частицы цементитного типа более тверды и хрупки, чем матрица. Поэтому на поверхности раздела создается объемно-напряженное состояние, которое может приводить к образованию микротрещин.

Углерод резко снижает вязкость и пластичность стали, способствуя повышению хладноломкости. Принято считать, что увеличение в стали содержания углерода на каждые 0,1 % повышает порог хладноломкости на 20 К.

Снижение содержания углерода предотвращает образование при сварке в зоне термического влияния хрупких закалочных мартенситных структур. В свариваемых хладостойких сталях содержание углерода должно быть ниже 0,2 %, а в структуре должно быть мало перлита (малоперлитные стали).

Исследования показывают, что феррит высокой чистоты, содержащий не более 10–6 % углерода и азота, менее 10–3 % кислорода, обладает высокой ударной вязкостью (стандартные образцы Шарпи изгибаются без разрушения при температуре –60 °С) и очень низкой прочностью – предел текучести составлял всего 33 МПа. Принято считать, что упрочнение твердых растворов создается за счет искажения решетки растворителя атомами растворяющегося элемента,

118

в результате чего увеличивается напряжение трения решетки, препятствующее движению дислокаций. Наличие в стали углерода, эффективного упрочнителя, образующего с ферритом твердые растворы внедрения, приводит к снижению подвижности дислокаций и, как следствие, к повышению прочности стали и увеличению ее склонности к хрупкому разрушению.

На рис. 3.1 показано изменение механических свойств и показателя Т50 нелегированной литейной стали после нормализации при 930–950 °С в течение 2 ч в зависимости от содержания углерода.

Рис. 3.1. Зависимость механических свойств и Т50 от содержания углерода в сталях

Из приведенных данных следует, что низкоуглеродистые стали могут обеспечить достаточно высокие характеристики прочности, пластичности и ударной вязкости. Вместе с тем, как показывают многочисленные исследования и практические результаты, эти стали не гарантируют эксплуатационной надежности деталей при низких климатических температурах. Дело в том, что низкоуглеродистые литые стали обладают низкой трещиностойкостью.

Анализ промышленных плавок стали 20Л, предназначенных для изготовления одного из ответственных узлов трактора «Кировец» – несущей сварно-литой рамы, показал, что основной запас ударной вязкости стали с понижением температуры зависит от работы зарождения трещины, а работа ее развития, которая в основном и характеризует хладостойкость стали, очень низкая (рис. 3.2).

119

Это означает, что при низкой температуре образовавшаяся трещина может привести к ускоренному разрушению отливки. Данный факт подтверждается результатами исследования 186 случаев выхода из строя рам тракторов К-700 и К-701, показавшими, что основное количество хрупких разрушений литых деталей рамы произошло в зимнее время.

Рис. 3.2. Сериальные кривые ударной вязкости KCU и KCT

играфическое определение работ зарождения KCз

иразвития KCр трещины стали 20Л

Аналогичные результаты получены и в других работах. Так, М.П. Брауном при исследовании стали с содержанием 0,2 % С было установлено, что, хотя общая ударная вязкость при –40 °С сохраняется на неплохом уровне, работа развития трещины низкая и составляет около 4 % от работы зарождения.

Отечественная и зарубежная практика показывает, что критическим значением работы развития трещины, определяющим работоспособность стали с ферритно-перлитной структурой и сопротивляемость ее хрупкому разрушению при температуре эксплуатации, следует считать 12 Дж/см2.

Величина работы развития трещины стали с ферритно-пер- литной структурой в вязком состоянии определяется, с одной стороны, количеством, формой и дисперсностью хрупкой цементитной составляющей, а с другой – способностью более вязкого феррита сопротивляться развитию трещины. Повысить работоспособность феррита можно путем измельчения зерна, создания твердых растворов внедрения и замещения, а также выделения частиц второй фазы.

120