Золотаревский В.С. Механические свойства металлов
Подождите немного. Документ загружается.
Имеющиеся
факты
противоположного
влияния
размера
зерна
на
вязкость
разрушения,
возможно,
сбъясняются
разницей
дру
гих
структурных
параметров
в
образцах
с
разным
размером
зерна.
Внутризеренная
дислокационная
структура
также
сказывается
на
трещиностоЙкости.
Формирование
полигонизованной
струк
туры
в
деформированных
полуфабрикатах,
в
частности
при
вы
сокотемпературной
термомеханической
обработке,
способствует
повышению
вязкости
разрушения.
Увеличение
плотности
дисло
каций
за
счет
холодной
деформации
может
как
повышать,
так
и
снижать
вязкость
разрушения.
Например,
у
листов
из
алюминие
вого
сплава
1201,
растянутых
после
закалки
перед
искусствен
ным
старением
на
1-5%,
к"
достигает
-
80
МПа·
M
1
/
2
вместо
66
без
деформации.
Если
же
сравнивать
отожженные
рекристаллизо
ванные
листы
из
сплава
АМг6
с
холоднокатаными,
то
вязкость
разрушения
у
последних
будет
заметно
ниже.
По-видимому,
знак
влияния
плотности
дислокаций
на
вяз
кость
разрушения
определяется
абсолютными
значениями
этой
плотности
в
сравниваемых
материалах,
а
также
степенью
закреп
ления
дислокаций
примесными
атмосферами
и
частицами
избы
точных
фаз.
Пока
прирост
плотности
дислокаций,
способствуя
упрочнению,
не
приводит
к
сильному
снижению
деформацион
ной
способности,
вязкость
разрушения
растет.
Если
же
введен
ные
дислокации
охрупчивают
материал,
то
его
трещиностойкость,
естественно,
будет
снижаться.
Трещиностойкость
связана
с
фазовым
составом
сплавов.
Избыточные
фазы,
увеличение
их
объемной
доли
в
пластичной
матрице
всегда
снижают
вязкость
разрушения.
При
этом
в
отличие
от
механических
свойств гладких
образцов
значения
к.с
и
К
с
сильно
зависят
не
только
и
часто
не
столько
от
дисперсных
вторичных
вьщелений,
образующихся
в
результате
распада
твердого
раствора,
сколько
от
наличия
относительно
грубых
(микронных
размеров)
выделений
фаз
кристаллизационного
происхождения.
Это
особенно
четко
проявляется
на
алюминиевых
сплавах,
где
уже
отмечавшееся
вредное
влияние
примесей
железа
и
кремния
как
раз
обусловлено
образованием
таких
избыточных
фаз.
Степень
этого
влияния
можно
про
иллюстрировать
на
примере
сплава
типа
895
в
виде
плит
толщиной
80
мм:
если
содержание
железа
и
кремния
меньше
0,15
%,
то
к.с
= 40
МПа·
M
1
/2,
если
сплав
содержит
0,5 %
Si
и
0,7 % Fe,
то
вязкость
разрушения
снижается
до
28
МПа·
M
1
/2.
240
На
рис.
125
показано
снижение
~c
при
увеличении
объемной
доли
различных
избыточных
фаз
кристаллизационного
происхождения
в
закаленном
после
ли
тья
сплаве
Al
- 7 %
Mg
- 3 % Zn.
Вид
но,
что
разные
фазы
в
разной
степени
влияют
на
вязкость
разрушения.
Это
свя
зано
как
с
особенностями
их
морфоло
гии,
так
и
с
различиями
собственных
свойств
разных
интерметаллидов.
Дисперсные
вторичные выделения
избыточных
фаз,
образующиеся
при
ста
рении
или
отпуске,
также
существенно
сказываются
на
трещиностоЙкости.
После
JO
25
20
15
1 2 J
5
5
Q,
%
(oilJeHНo)
Рис.
125.
Зависимость
вязкости
разрушения
сплава
А\
-
7%
Mg
- 3 %
ZI1
от
оБЪСМII()ii
доли
из
быточных
фаз:
I -
FeAI"
2-
e(AI,
Си,
Mg); 3 - Mg,Si
старения
вязкость
разрушения
обычно
ниже,
а
после отпуска
(ста
лей)
выше,
чем
в
закаленном
состоянии.
Минимальная
вязкость
разрушения
алюминиевых
сплавов
фиксируется
после
старения
по
таким
режимам,
когда
образуются
метастабильные
фазы,
час
тично
когерентные
матрице.
В
этом
случае
максимален
уровень
внутренних
напряжений,
минимальна
деформационная
способ
ность,
и
трещина
развивается
особенно
легко.
После
зонного
ста
рения,
а
также
перестаривания
вязкость
разрушения
существен
но
выше
(на
20-50
%).
Именно
поэтому
в
последние
годы
стали
широко
применяться
высокотемпературные
режимы
старения
(и
отпуска),
обеспечивающие
более
высокий
уровень
вязкости
раз
рушения
по
сравнению
с
ранее
применявшимися
режимами
ста-
рения
на
максимальную
прочность.
7
Nоnро6лt'Nuе
L:c-.
_
__
---У""/
nрDкоmки
К/С=89
/
PIIC.
126.
Зависимость
вязкости
разрушения,
МПа·
M
1
/2,
мартенситно-стареющей
стали
от
ориен
тации
образцов
в
листе
толщиной
30
мм
(по
М.
л.
Бернштейну)
241
Характеристики
треLЦИНОСТОЙКОСТИ,
как
и
другие
механичес
кие
свойства,
анизотропны.
Анизотропия
вязкости
разрушения
деформированных
полуфабрикатов,
обусловленная
их
текстурой,
имеет
важное
практическое
значение.
Рис.
126
на
примере
мар
тенситно-стареЮLЦей
стали
демонстрирует
различия
в
значениях
к..с
образцов,
вырезанных
в
разных
направлениях
из
листа
тол
LЦИНОЙ
30
мм.
ВИДНО,
что
вязкость
разрушения
максимальна
у
долевых
и
минимальна
у
высотных
образцов.
Это
оБLЦая
законо
мерность
для
сплавов
разных
групп.
Связана
она
в
основном
с
волокнистой,
строчечной
структурой
деформированных
полуфаб
рикатов,
которая
состоит
из
чередуюLЦИХСЯ
слоев
разного
хими
ческого
и
фазового
состава.
Особенно
большое
значение
имеет
строчечность
в
расположении
избыточных
фаз.
В
образцах
с
ДВ-ориентацией
(см.
рис.
126)
плоскость
и
на
правление
развития
треLЦИНЫ
перпендикулярны
указанным
чере
ДУЮLЦимся
слоям,
и
ОНИ
будут
эффективно
тормозить
ее
распро
странение.
В
образцах
же
с
ДП-ориентацией
треLЦина
развивается
вдоль
этих
слоев
относительно
беспрепятственно,
и
поэтому
их
к..с
оказывается
наименьшей.
Механизм
торможения
треLЦИНЫ
при
ДВ-ориентации
по
М.
Л.
Бернштейну
обусловлен
затуплением
треLЦИНЫ
из-за
частичной
локальной
релаксации
напряжений
при
прохождении
треLЦИНЫ
через
относительно
пластичный
слой.
Этот
эффект
используется
при
создании
слоистых
композиционных
материалов,
которые
состоят
из
слоев
одного
и
того
же
металла
или
чередуюLЦИХСЯ
слоев
разных
материалов,
соединенных
прослойками
клея
или
металла.
Вязкость
разрушения
таких
материалов
по
сравнению
с
монолитными
может
быть
повышена
Внесколько
раз.
7.
Испытания
на
замедяенное
разрушение
Многие
детали
и
конструкции
работают
под
действием
посто
янных
по
величине
статических
нагрузок
(напряжений).
При
этом,
как
отмечал
ось
в
гл.
IV,
ряд
высокопрочных
сплавов
может
разру
шаться
через
какое-то
время
эксплуатации
без
макропластичес
кой
деформации
под
действием
относительно
низких
напряже
ний.
Для
оценки
сопротивления
(или
склонности)
материала
к
замедленному
разрушению
проводят
специальные
испытания.
В
отличие
от
рассмотренных
выше
испытания
на
замедленное
ра;з-
242
~
с
КН
Кl
-,
_Гl
--
-
-
--
~
1---'
.
LJ
~
10
J
195
']
J9
65
Рис.
127.
Образец
ДЛЯ
испытаНИЯ
на
замедленное
разрушение
рушение
характеризуются
постоянством
внешнего
напряжения,
действующего
на
образец
в
течение
всего
испытания.
Наиболее
часто
используется
схема
одноосного
растяжения
гладких
и
над
резанных
образцов.
Испытания
на
замедленное
разрушение
не
стандартизованы.
Используемые
гладкие
цилиндрические
(реже
плоские)
образцы
имеют
геометрию,
аналогичную
стандартным
образцам
на
одно
осное
растяжение
(см.
рис.
77).
Цилиндрический
образец
с
надре
зом
для
испытаний
на
замедленное
разрушение
показан
на
рис.
127.
Нагружение
образцов
проводят
либо
в
машинах,
предназна
ченных
для
испытаний
на
длительную
прочность
(см.
гл.
VIII),
либо
в
специальных
пружинных
устройствах.
Последние
предпоч
тительны,
так
как
отличаются
дешевизной
и
простотой
в
изго
товлении.
На
рис.
128
показана
схема
одного
из
таких
приспособ
лений.
Испытания
проводят
при
нагрузках,
соответствующих
опре
деленной
доле
от
предела
текучести
(обычно
0,7-0,9
а
о
)
или
временного
сопротивления.
Первичным
результатом
испытнияя
является
время
до
разрушения.
Желательно
про
водить
испытания
серии
образцов
с
использованием
разного
уровня
напряжений.
Тогда
можно
построить
зависимость
времени
разрушения
от
дей
ствующего
напряжения
(рис.
129),
по
которой
оценивают
уровень
допустимых
напряжений
при
заданной
базе
испытания. Такая
методика
необходима,
например, для
определения
гарантийных
сроков
хранения
изделий,
в
которых
имеются
детали,
находящи
еся
под
постоянным
действием
растягиваюших
напряжений,
Если
эти
детали
изготовлены
из
сплавов,
склонных
к
замедленному
разрушению,
то
они
могут
самопроизвольно
разрушиться
при
длительном
вылеживании
еще
до
начала
эксплуатации
изделия.
243
Рис.
128.
Устройство
для
испытаний
на
замед
ленное
разрушение
в
кольцевом
динамомет-
5
ре:
1 -
образец;
2 -
динамометр:
3 -
инди
катор
динамометра;
4 -
шток;
5 -
гайка
з
2
1
Рис.
129.
Кривая
длительной
прочно
сти
на
ВОЗдухе
при
комнатной
тем
пературе
алюминиевого
сплава
М24М
6/60,1
1,2
7,0
0,8
0,5
0,4
'1
8
72 78
20
2'1
1;
",ее
Зная
уровень
действующих
напряжений
и
имея
для
соответству
ющего
сплава
зависимость,
подобную
показанной
на
рис.
129,
можно
оuенить
допустимое
время
хранения.
На
практике
при
испытаниях
на
замедленное
разрушение
час
то
ограничиваются
нагружением
образuа
на
заданном
уровне
в
течение
определенного
врсмени
(например,
1000
ч
при
0,9
аО2)
с
учетом
будущих
условий
эксплуатаuии.
Если
образuы
из
испыiыы
ваемого
материала
не
разрушаются
за
это время, то
этот
матери
ал
считают
годным.
Как
отмечал
ось
в
гл.
IV,
испытания
на
замедленное
разруше
ние
часто
проводят
в
коррозионной
среде,
например,
в
синтети
ческой
морской
воде
(испытания
на
коррозию
под
напряжением
-
ГОСТ
9.903-81).
Делается
это
либо
для
ускорения
испытаний,
либо
для
моделирования
условий
эксплуатаuии.
В
последние годы
все
шире
при
меняются методы
испытаний
на
замедленное
разрушение,
базирующиеся
на
механике
разру
шения.
Здесь
используют
образuы
с
надрезом
и
трещиной,
по
добные
применяемым
для
оuенки
~c
И
К
с
'
которые
нагружают
постоянной
нагрузкой
по
схеме
растяжения
или
изгиба.
По
ре
зультатам
этих
испытаний
определяют
коэффиuиент
интенсив
ности
напряжений,
еще
не
вызывающий
разрушения
образuа
за
заданное
время
(часто
1000
ч).
244
r
л
а
на
VI
СВОЙСТВА
ПРИ
ДИНАМИЧЕСКИХ
ИСПЫТАНИЯХ
При
эксплуатации
различные
детали
и
конструкции
часто
под
вергаются
ударным
нагрузкам.
В
качестве
при
мера
можно
привес
ти
переезд
автомобиля
через
выбоину
на
дороге,
взлет
и
посадку
самолетов,
высокоскоростную
обработку
металла
давлением
(при
ковке и
штамповке)
и
др.
Для
оценки
способности
металличес
ких
материалов
переносить
ударные
нагрузки
используют
дина
мические
испытания,
которые
широко
применяются
также
для
выявления
склонности
металлов
к
хрупкому
разрушению.
Стан
дартизованы
и
наиболее
распространены
ударные
испытания
на
изгиб
образцов
с
надрезом.
Помимо
них
используются
методы
динамического
растяжения,
сжатия
и
кручения.
Скорости
деформирования
и
деформации
при
динамических
испытаниях
на
несколько
порядков
больше,
чем
при
статических.
Так,
в
стандартных
испытаниях
на
динамический
изгиб
скорость
деформирования
составляет
3-5
м/с,
а
скорость
деформации
по
рядка
102
c-
I
,
В
то
время
как
при
статических
испытаниях
эти
величины
10-5-10-2
м/с
и
10-4-10-1
с-
I
соответственно.
1.
Особенности
пластической
деформации
и
разрушения
при
динамическом
нагружении
Резкое
увеличение
скоростей
приложения
нагрузки
при
дина
мических
испытаниях
определяет
особенности
картины
пласти
ческой
деформации,
деформационного
упрочнения
и
разруше
ния.
В
условиях
динамической
деформации
изменяется
поведение
дефектов
кристаллической
решетки,
в
первую
очередь
дислока
ций.
Изменение
концентрации
дефектов
С;
при
пластической
де
формации
подчиняется
уравнению
где
С;(о)
-
исходная
концентрация
дефектов;
't
-
длительность
процесса;
't
-
время
релаксации
дефектов.
р.
Величина
't
может,
например,
характеризовать
время
действия
~
-
дислокационного
источника,
время
взаимодеиствия
между
де-
245
фектами
и
т.
д.
При
деформации
идут
только
те
процессы,
ДЛЯ
которых
Т
р
'<
Т.
Резкое
уменьшение
при динамической
деформа
ции
времени
т
неизбежно
должно
вызвать
изменение
различных
элементарных
процессов,
определяюших
картину
пластической
деформации,
что
вызовет
соответствующее
изменение
свойств.
Важнейшим
механизмом
пластической
деформации
кристал
лов
является
консервативное
скольжение
дислокаций
в
опреде
ленных
плоскостях
и
направлениях.
В
условиях
динамического
нагружения
на
дислокации
почти
мгновенно
начинают
действо
вать
относительно
высокие
напряжения
Т.
В
результате
скорость
перемещения
дислокаций
увеличивается:
где
Т;
-
напряжение
сопротивления
решетки
перемешению
дис
локаций;
То
-
постоянное
напряжение,
при
котором
V
д
= 1
см/с;
т
-
коэффициент,
зависящий
от
природы
металла;
с
з
-
ско
рость
распространения
звука
в
металле.
Величина
коэффициента
т
в
первую
очередь
определяется
ти
пом
решетки
и
характером
межатомной
связи
в
кристалле.
У
наи
более
пластичных
г.
ц.
к.
металлов
значения
т
максимальны
(у
меди
- 200),
а
у
о.
ц.
к.
металлов
они,
по
крайней
мере,
на
порядок
меньше.
Резкое
ускорение
консервативного
скольжения
дислокаций
в
условиях
динамического
нагружения
приводит
к
увеличению
сил
трения
решетки.
Это
вытекает
из
скоростной
зависимости
шири
ны
и
энергии
дислокаций.
Чем
больше
их
скорость
V
д
'
тем
больше
энергия,
меньше
ширина
а
О-У)
и,
следовательно,
больше
сила
Пайерлса
[см
формулу
(25)].
Увеличение
сил
трения,
препятству
ющих
быстрому
скольжению
дислокаций,
вызывает
прирост
кри
тического
напряжения
сдвига
и
дополнительное
упрочнение
ме
талла.
Высокий
уровень
напряжений
при
динамическом
испытании
способствует
одновременному
действию
большого
числа
дисло
кационных
источников.
Параллельно
в
г.
ц.
к.
металлах
растет
и
число
действующих
систем
скольжения.
Одним
из
следствий
это
го
является
подавление
стадии
легкого
скольжения
в
монокрис
таллах.
В
то
же
время
линии
скольжения
на
поверхности
образца,
подвергнутого
динамической
деформации,
часто
менее
волнис
ты,
чем
после
статической.
Для
о.
ц.
к.
металлов
этот
эффект
свя
зывают
с
тем,
что
в
результате
ударного
нагружения
образуются
246
и
перемещаются
в
основном
краевые
дислокации.
Их
консерва
тивное
скольжение
в
определенных
плоскостях
и
при
водит
К
об
разованию
прямых
следов
скольжения.
Электронно-микроскопический
анализ
показывает,
что
в
не
которых
г.
ц.
к.
металлах,
например
в
меди,
при
динамическом
нагружении
формируется
ячеистая
структура
уже
после
неболь
ших
степеней
деформации.
Средний
размер
ячеек
оказывается
значительно
меньшим,
чем
после
статического
испытания.
В
то
же
время
в
металлах
с
о.
ц.
к.
решеткой
образование
ячеистой
струк
туры
в
результате
динамической
деформации
затруднено.
По-ви
димому,
это
связано
с
трудностью
поперечного
скольжения
при
быстром
перемещении
множества
дислокаций
по
большому
чис
лу
систем
скольжения.
Повышение
скорости
деформации
спо
собствует
развитию
двойникования
в
металлах
с
любой
решет
кой,
в
том
числе
г.
ц.
к.
Увеличение
плотности
дислокаций,
числа
систем
скольжения
и
двойникования
при динамическом
нагружении
ведет
к
умень
шению
средней
длины
свободного
пробега
дислокаций
и
повы
шению
концентрации
точечных
дефектов
в
результате
возраста
ния
вероятности
пересечений
дислокаций
и
их
движения
с
поро
гами.
Особенности
картины
пластической
деформации
при
динами
ческом
нагружении
обусловливают
изменение
деформационного
упрочнения
и
отдельных
характеристик
прочности
и
пластичнос
ти
по
сравнению
со
статическими
испытаниями.
В
гл.
V
влияние
повышения
скорости
деформации
приравнивалось
к
снижению
температуры
испытания.
Это
утверждение
верно
для
диапазона
скоростей,
реализуемых
при
статических
испытаниях.
В
области
же
высоких
скоростей
проявляется
ряд
новых
эффектов.
Наблю
дается,
в
частности,
существенное
увеличение
степени
деформа
ционного
упрочнения
на
1
стадии
кривой
деформации
монокри
сталлов
с
г.
ц.
к.
И
г.
п.
решеткой.
При
динамическом
нагружении
резко
увеличивается
и
степень
упрочнения
на
11
стадии,
особен
но
при
таких
ориентировках
кристалла,
когда
действует
большое
число
систем
скольжения.
Если
сравнивать
кривые
деформационного
упрочнения
для
одного
поликристаллического
металла
при
статическом
и
дина
мическом
нагруиениях,
то
обычно
с
увеличением
скорости
фиксируется
повышение
уровня
напряжений
и
на
начальных
ста
диях
-
степени
деформационного
упрочнения
(рис.
130).
247
б,l1Па
60
20
о
21J
6,
НПо
muп------------------,
IИO
608, %
О
lJ
21J
40
д,
%
Рис.
I
зо.
Кривые
напряжение
-
деформация
при
динамической
(1)
и
статической
деформации
(2):
а
-
для
алюминия
(Ямада.
Котеразава);
б
-
для
стали
с
0,2%
С
(Кэмпбелл,
Хардин)
По
Котгреллу,
напряжение
течения
S
связано
со
скоростью
деформации
е
формулой
S = dS/de +
Sо[е/Ф/Ь(L
о
+
Ce"')]I/m,
где
So
-
напряжение,
необходимое
для
перемещения
дислока
ции
с
единичной
скоростью;
Ф
-
ориентационный
фактор;
L
o
-
начальная
длина
подвижных
дислокаций;
Ь
-
вектор
Бюргерса
дислокаций;
С,
а,
т
-
коэффициенты.
Величины
т
и
L
o
определяют
форму
кривой
деформации
-
плавную
(см.
рис.
130,
а)
или
с
зубом
текучести
(см.
рис.
130,
6).
Итак,
ири
динамических
испытаниях
характеристики
прочно
сти,
особенно
сопротивление
малым
деформациям,
повышают
ся
по
сравнению
со
статическими.
Пластичность
неоднозначно
зависит
от
скорости
деформации.
В
большинстве
случаев
при
удар
ных
испытаниях
образцов
с
надрезом
характеристики
пластично
сти
оказываются
ниже,
чем
при
аналогичных
статических
испы
TaHияx.
В
определенных
условиях
при
высокоскоростной
дефор
мации
некоторые
металлы
могут
проявлять
повышенную
плас
тичность.
Так,
например,
получается
при
штамповке
взрывом
(динамическое
сжатие)
металлов
с
гексагональной
решеткой.
Характер
изменения
пластичности
и
вязкости
(работы
дефор
мации)
с
увеличением
скорости
деформации
зависит
от
типа
разрушеиия
-
среза
или
отрыва.
Если
при
заданных
схеме
нагру
жения
и
температуре
материал
разрушается
путем
отрыва,
то
сопротивление
разрушению
мало
меняется
при
переходе
от
ста
тической
к
динамической
деформации.
В
этом
случае
пластичносгь
248
с
увеличением
скорости
уменьшается.
Если
же
разрушение
про
исходит
путем
среза,
то
сопротивление
разрушению
сушествен
но
возрастает
с
ускорением
деформации,
а
пластичносгь
может
не
меняться
или
тоже
повышаться.
2.
Динамические
испытания
на
изгиб
образцов
с
надрезом
При
динамических
испытаниях
закон
подобия
не
действует.
Поэтому
здесь
необходима
жесткая
унификация
размеров
образ
цов и
условий
проведения
испытания.
Основным
образцом
по
ГОСТ
9454-78
служит
стержень
с
квадратным
сечением
1
ОХ
1
О
мм,
длиной
55
мм
(рис.
131)
и
надрезом
одного
из
трех
видов.
u-
образный
надрез
наносится
посередине
длины.
Он
имеет
ширину
и
глубину
2
и радиус
закругления
1
мм.
Допускается
использова
ние
образцов
и
шириной
В=7,5;
5
и
2
мм.
В
последнем
случае
высота
Н=8
мм.
Образцы
с
У-образным
концентратором
имеют
те
же
габариты
и
отличаются
только
геометрией
надреза.
Третий
тип
образцов,
предусмотренный
ГОСТ
9454-78,
имеет
Т
-образ
ный
концентратор
(надрез
с
усталостной
трешиноЙ).
Длина
L
зтих
образцов
тоже
55
мм,
а
высота
сечения
Н=11
мм
при
В=10;
7,5
или
5
мм.
Допускается
применение
образцов
с
В=2
мм
и
Н=9
мм,
В=Н=10
мм
и
В=Н=25
мм.
В
последнем
случае
L=140
мм.
Образцы
с
У-образным
концентратором
являются
основными
и
используются
при
контроле
металлических
материалов
для
от
ветственных
конструкций
(летательных
аппаратов,
транспортных
средств
и
т.
д.).
Образцы
с
U-образным
надрезом
рекомендуется
применять
при
выборе
и
приемочном
контроле
металлов
и
спла-
~L
А-А
R
1
~
П
1
1·12
L/2:!O,If
I
Рис.
131.
Образец
с
U-образным
надрезом
ДЛЯ
испытаний
на
ударный
изгиб
(гост
9454-78)
249