Как отмечено в § 9.1, хрупкость и вязкость не есть не­изменные свойства металлов, а являются состоянием, в котором металл находится. Так, например, сталь при нормальной темпе­ратуре и статической нагрузке, вызывающей одноосные растя­гивающие напряжения, разрушается вязко, но при низкой темпе­ратуре, ударной нагрузке или при напряженных состояниях, близких к всестороннему растяжению, - хрупко. Белый чугун даже при нормальной температуре и одноосном статическом рас­тяжении разрушается хрупко. Таким образом, характер разруше­ния металлов зависит как от их строения, структуры, химиче­ского состава и других внутренних факторов, так и от условий работы конструкции - температуры, скорости нагружения, воз­никающему виду напряженного состояния, активности среды и других внешних факторов,

Установим причины перехода металлов из вязкого состоя­ния в. хрупкое и выявим влияние на этот переход основных фак­торов.

Разрушение кристаллической решетки металла возможно в результате преодоления межатомных сил. Разрушающее напряже­ние, подсчитанное в предположении о том, что решетка являет­ся идеальной, называется теоретической прочностью. Расчеты дают для теоретической прочности значения, во много раз пре­вышающие фактически наблюдаемые. Низкая прочность реальных, кристаллов объясняется тем, что они всегда имеют дефекты строения и разрушения начинаются со слабого места, при атом образуются субмикротрещины; они являются источником кон­центрации напряжений, поэтому для продвижения трещин доста­точно сравнительно небольшое среднее напряжение - сопротив­ление отрыву ботр. Аналогично, для того чтобы вызвать пластическую деформацию реальной решетки путем сдвига по плоскостям скольжения (плоскостям наибольшей упаковки ато­мов), нужно преодолеть сопротивление сдвигу (срезу) - ttp, которое вследствие дефектов в кристаллической решетке также намного меньше теоретического. При одноосном растяжении гср достигаются при напряжениях, равных пределу текучести метал­ла. Поэтому вместо сопротивления сразу часто рассматривают предел текучести - ^(т^р-в^/с*) .

Итак, металлы имеют две характеристики предельной проч-

ности: сопротивление срезу, при достижении которого начина­ется пластическая деформация, обусловленная сдвигами (без нарушения сплошности) я приводящая при дальнейшем нагружении к вязкому разрушению, и сопротивление отрыву, при достиже­нии которого развиваются микротрещины (несплошности) и ме­таллы разрушаются хрупко, без предварительной пластической деформации. Если в данных условиях при растяжении раньше до­стигается предел текучести, то металл находится в пластичном состоянии; наоборот, если раньше достигается сопротивление отрыву, то состояние металла хрупкое„ Указанные характери-» стики f>s и 1У0Тр по-разному реагируют на изменение ряда внешних и внутренних факторов.

Влияние температуры ~ преобладающий фактор, определяю-

0Т9 . Явление пере­хода металла при понижении темпера­туры из пластиче­ского состояния в хрупкое получило название хладнолом­кости металлов, Механическое объяс­нение этого явле­ния впервые ' дано академиком А. Ф.йффе и развито академи­ком Н. Н.Давиденко - вым. Согласно гипо­тезе Иоффе, крити­ческая температура хрупкости определя­ется точной пере-

Рис.9.1. Влияние ряда факторов сечения двух кри­на хрупкую прочность вых, изображающих

зависимости сопротивления отрыву 60ТР, и предела текучести

от температуры (рис,9.1,а). Сопротивление отрыву от

температуры не зависит, в то время как предел текучести с

повышением температуры понижается. Из графика видно, что при

Т^Ткр сопротивление отрыву меньше предела текучести и

поэтому металл разрушается хрупко; при Т>ТКР предел теку-

чести меньше сопротивления отрыву и поэтому металл сначала пластически деформируется, а затем разрушается вязко. Раз­брос значений' 6рТР от б^р min до ёотр тах приводит к

тому, ЧТО пересечение кривых Sft,(т) и ff0TP (Т) происходит не в точке, как указано на рис.9.1,а, а в некоторой области рассеяния (рис.9.1,6). В результате критическая температура превращается в критический интервал температур от ТКРН до р-3 => Для практической оценки хладноломкости основного ме­талла и металла сварных соединений прибегают к ударным испы­таниям образцов. Испытания металла шва и зоны термического влияния выполняют на образцах типа ііенаке с расположением надреза (в соответствии с целью исследования) либо в литой зоне (параллельно оси шва), либо в зоне термического влияния на заданном расстоянии от края шва. Испытания проводят при различных, последовательно понижающихся температурах. В ре­зультате получают графики зависимости ударной вязкости ан от температуры (см. рис.9.1,6). Переход из пластического со­стояния в хрупкое проявляется в резком уменьшении энергии, затрачиваемой на разрушение образца при понижении температу­ры. Вследствие разброса результатов испытаний переход из одного состояния в другое происходит также в интервале тем­ператур от Тщ»в до Ткрн, который называют критическим интервалом хрупкости.

С увеличением скорости деформации растет сопротивление пластической деформации; кривая деформирования при высоких скоростях испытаний образцов на растяжение проходит выше, чем при низких, возрастает предел текучести металла (рис.9.1,в). Из схемы Иоффе (рис.9Л, г) ясно, что с повышением предела те­кучести критическая температура хрупкости смещается в об­ласть более высоких значений (от Т^р ‘ до Т^’р ).

С увеличением в основном металле и в зоне сварного со­единения внутренних трещиноподобных дефектов (различного рода непроваров, зон окисления и загрязнения, включений и других концентраторов напряжений) сопротивление отрыву пони­жается. К такому же результату приводит увеличение в металле шва вредных примесей (сера, фосфор, кислород, азот, водород) и укрупнение зерна, а также его ориентированное положение при кристаллизации. Снижение сопротивления отрыву от бртр до

^отр также приводит к смещению критической температуры

хрупкости в область более высоких температур (от Т^р а Т^р ; рис.9.1,д),

С увеличением размеров швов и деталей сопротивление от­рыву снижается. Обусловливается это тем, что вероятность опасных дефектов, определяющих сопротивление отрыву, в боль­ших объемах металла выше, чем в малых. Это явление носит название "масштабный эффект”, вследствие которого сопротив­ление отрыву зависит от диаметра испытуемых образцов, С уве­личением диаметра образцов ботР падает, а разброс значений

в'отр уменьшается (рис.9.1,е).

Приведенные данные о соотношениях 60ТР и 6S (схема Иоффе) получены при испытании образцов на одноосное растяже­ние. Возникает вопрос, как изменится критическая температура хрупкости при других напряженных состояниях» Решение этого вопроса имеет большое значение для сварных конструкций, так как сварочные напряжения существенно изменяют вид напряжен­ного состояния. Простейший способ учета напряженного состоя­ния на двойственный характер разрушения заключается в одно­временном рассмотрении касательных и нормальных напряжений. Для касательных напряжений предельной величиной является сопротивление сдвигу (срезу) - tCp, при достижении которо­го начинается пластическая деформация и далее вязкое разру­шение; для нормальных напряжений предельная величина - соп­ротивление отрыву -6отр, при достижении которого происхо­дит хрупкое разрушение. Следовательно, если при увеличении нагрузки максимальное касательное напряжение достигнет тср раньше, чем максимальное нормальное напряжение достигнет ботр0 то начинается пластическая деформация, а при обратном усло­вии произойдет хрупкое разрушение. Анализ этих условий удоб­но выполнять с помощью графика (схемы Давиденкова - Фридмана). На плоскости переменных й, , гтах проведем "линию отры­ва" 6^=6отр и'Линию среза" приданной температуре

гтйх{*П=:®$0')/2 (рис.9.2,а). При пропорциональном нагруже­нии напряженное состояние на приведенной диаграмме характе­ризуется лучом.

Если луч, соответствующий данному напряженному состоя­нию» пересечет линию отрыва, то произойдет хрупкое разруше­ние, если линию среза - то вязкое. Тангенс угла наклона луча к оси абсцисс характеризует коэффициент жесткости напряжен-

ного состояния

При всесторонней растяжении луч прохо­дит по осы абсцисс

( гт&х" 0) 0 5

гари одноосном растя­жении (хтах=0/£)б-і }

«Ц = 0,5; при круче-

НИИ С s

Чем меньше оС » тем

более жесткий вид на­пряженного состояния, т. е. тем в большей степени затруднена пластическая дефор­мация. Поэтому особенно опасны в сварных конструкциях со­стояния, близкие к всестороннему растяжению. С понижением температуры возрастают значения ttp и линия среза проходит выше, с повышением - нике. На рис.9.2,б показаны три линии среза: для Т=ТкР , Т4сТк(, и для Та>Ткр, а также рас­смотрены два вида напряженного состояния. Луч ОБ указывает, что при Т, возникает хрупкое разрушение даже при *1> 0,5,

а луч ОС - что хрупкое разрушение имеет место при Та>Ткр, если <L< 0,5. Следовательно, критическая температура, опре­деляемая путем испытаний образцов на растяжение (или ударный изгиб), не характеризует переходную температуру, которая зависит не только от температуры детали, но и от вида напря­женного состояния. Особенно резко снижается коэффициент же­сткости напряженного состояния в зоне концентратора напряже­ний. Здесь возникает объемное напряженное состояние, при котором

^mQot

где f)4 и f>5 - соответственно максимальные и минимальные нормальные напряжения.

Следовательно, при сложном напряженном состоянии коэф­фициент жесткости напряженного состояния

т. е. снижается от 0#5 при одноосном растяжении ( Щ - 0} до 0 при всестороннем растяжении (б^б., ) по линейному за­кону.

Весьма многообразно влияние процесса сварки на хрупкую прочность сварных соединений и конструкций. Свойства металла шва зависят от химического состава образующегося сплава, его структуры, наличия дефектов. На металл околошовной зоны ока­зывает влияние терыодефорыационный сварочный цикл. Здесь изменяется структура, протекает значительная пластическая деформация, идет процесс старения металла, приводящий к из­менению свойств, возникают остаточные сварочные напряжения. Сварные швы, как правило, являются концентраторами напряже­ний. Учет влияния отмеченных факторов в совокупности на хруп­кую прочность сварных соединений и конструкций чрезвычайно сложен. Поэтому были предложены методы оценки хрупкой проч­ности специальных образцов, которые в той или иной мере мо­делируют узлы сварных конструкций при жестких условиях рабо­ты и позволяют судить о пригодности выбранных основного и присадочных материалов и технологии сварки для изготовления сварных конструкций, эксплуатируемых в условиях, опасных для хрупких разрушений.

Одним из часто применяемых методов оценки сопротивляе­мости основного металла и сварного соединения распростране­нию хрупкой трещины является метод, предложенный Институтом электросварки им. Е. О.Патона (проба на торможение трещины в металле сварного соединения). Образец из пластины с ребром,, состоящим из двух пригнанных одна к другой полос (рис.9.3), устанавливают в зажимы разрывной машины, охлаждают до опре­деленной температуры и статически нагружают. После этого по образцу со стороны, противоположной стыку ребра, наносят легкий удар. Удар вызывает развитие трещины от места стыка ребер через шов в основной металл. Опыт повторяют при разных значениях нагрузки и температуры образцов. Критерием стой­кости металла против хрупкого разрушения служит величина на­пряжений, при которых трещина пересекает все сечение образца (для каждого значения температуры). Аналогичные испытания

проводят и на образцах другой формы и конструкции (пробы KOW, ESSO и др„),