Хрупкость — это способность тел разрушаться без заметной пластической деформации. Виды и формы проявления хрупкости многообразны. Поэтому не существует единого критерия оценки хрупкости металлов. Причиной хрупкости металлов могут явиться: химический состав металла и его структурное состояние, понижение температуры, высокая скорость нагружения, напряженное состоя­ние металла. Хрупкость не является постоянным свойством мате­риала. Переход тела из пластичного состояния в хрупкое зависит от многих факторов. Правильнее говорить о хрупком состоянии тела, а не о хрупком материале. Однако в инженерной практике для простоты хрупкими материалами называют такие, которые при вероятных условиях эксплуатации обнаруживают признаки хруп­кости. К пластичным относят такие, которые в эксплуатационных условиях не обнаруживают хрупкости, хотя при других обстоятель­ствах, не свойственных рассматриваемым условиям, могут также оказаться хрупкими.

Различают начальные стадии хрупкого разрушения, которые условно объединяют в понятие зарождение разрушения, и движение трещины, которое рассматривают как распространение разрушения. Используемые в машиностроении свариваемые конструкционные материалы в обычных условиях статического нагружения при от­сутствии концентраторов напряжений не проявляют признаков хрупкости. Появлению трещины всегда предшествует заметная пластическая деформация. Признаки хрупкости могут проявиться при ударном приложении нагрузки. ЕГ ряде случаев хрупкость на гладких образцах даже при ударном приложении нагрузки появ­ляется только при соответствующем понижении температуры. Тогда говорят о хладноломкости металлов. В большинстве случаев хруп­кость наиболее сильно обнаруживается при наличии надрезов.

В СССР самым распространенным методом испытания низко­углеродистых и низколегированных сталей на хрупкость является испытание на ударный изгиб призматических образцов с надрезом г = 1 мм {5]. Полную работу разрушения, состоящую из работы изгиба образца А3 и работы распространения трещины по попереч­ному сечению Ар, относят к площади ослабленного сечения, в ре­зультате чего находят ударную вязкость ан.

Испытание обычно используют для определения ан металла при температуре эксплуатации, а также для определения порога хлад­ноломкости металла, понимая под этим температуру, при которой ан оказывается около 2,5—3 кгс-м/см2. Принято считать, что для многих конструкций величина ан не должна быть ниже 2,5— 3,0 кгс • м/см2. Но эта оценка в ряде случаев недостаточна.

Имеются примеры, когда при статических нагрузках и отсутст­вии острых концентраторов успешно работают детали при аа < < 2,5 - г - 3,0 кгс • м/см2 и, напротив, имеется много примеров, когда конструкции с аи > 3 кгс • м/см2 работают неудовлетвори­тельно. Объясняется последнее тем, что в сварных конструкциях обычно имеется достаточно мест, от которых может начаться разру­шение. В таких условиях сопротивляемость конструкции хрупкому разрушению зависит главным образом от удельной работы распро­странения трещины йр, которая может быть весьма малой даже при ая = 3 кгс • м/см2. По этой причине для конструкций, в которых распространение трещин возможно и при этом создается аварийная ситуация, получили применение методы испытаний, позволяющие определить ар. Здесь идут по двум путям. Либо применяют методы, позволяющие разделить полную работу ан на составляющие а3 и ар, либо остроту надреза делают такой, чтобы а3 была крайне малой по сравнению с ар, и используют тогда для оценки металла аа. К первой группе можно отнести методы Л. С. Лившица и А. С. Рах­манова, А. П. Гуляева, В. С. Ивановой [6] и др. Ко второй группе — испытание образцов Шарпи с V-образным надрезом, испытание по методу Б. А. Дроздовского, когда предварительно создают трещину усталости [4], испытание по методу тепловой волны, когда влияние а3 практически устраняют полностью [2]. За исключением материала труб для магистральных трубопроводов предельно допустимая величина ар пока не регламентирована. При таких неопределенных требованиях к ар по количественному уровню часто считают доста­точным найти лишь температурный интервал Тг — Т2, при котором величина ар резко снижается от стабильного для данного металла уровня (рис. 1, а). Установлено, что этому резкому снижению ар соответствует также изменение процента волокнистого излома в сечении разрушенного образца в том же температурном интервале Ті — Тш (рис. 1, б). Поэтому можно устанавливать критические температуры изменения ар по соотношению площади кристалли­ческого и волокнистого изломов в сечении образца. В некоторых рекомендациях критическую температуру определяют при 50% во­локна в изломе (рис. 1, б).

Следует однако иметь в виду, что положение критических тем­ператур на графике зависимости ар или процент волокна от темпе­
ратуры в свою очередь зависит от размеров образца, использован­ного в опыте. Установлено, что при увеличении размеров образца положение Гкр смещается вправо в область более высоких темпе­ратур (рис. 2). Критическая температура на больших образцах Ткрб

выше, чем на малых Гкрм. Поэтому для ответственных крупногаба­ритных энергоемких конструкций критические температуры находят на более крупных образцах. Имеется много различных методов испытания металлов с применением более крупных образцов, чем сечением 10 X 10 мм [4, 6]. Общая тенденция развития научных

исследований состоит в том, чтобы для %болокна материалов низкой и средней прочности установить минимально допустимую ве­личину ар в зависимости от конкретного типа конструкции и условий эксплуа­тации.

Для конструкций из высокопрочных металлов характерны высокая чувстви­тельность к концентрации напряжений и высокий уровень эксплуатационных напряжений. В этом случае весьма ве­роятным становится возникновение раз­рушения от небольших по размерам дефектов металлургического, сварочного или механического происхождения. Ими могут быть трещины, несцлошности, окисные пленочные включе­ния, царапины и т. п.

Развитие разрушения следует схеме Гриффитса, когда прира­щение длины дефекта сопровождается освобождением такого коли­чества энергии, которое превосходит затраты энергии на продви­жение трещины. Соответствующий подход к оценке сопротивляе­мости хрупким разрушениям высокопрочных металлов развивается

линейной механикой разрушения путем использования понятия критерия Ирвина [I].

Физический смысл критерия Ирвина в энергетической трактовке прост. Это величина работы пластической деформации металла, которая затрачивается в начальный период развития трещины на образование единицы площади разрушения. Наиболее четким поня­тием является величина критерия Ирвина в условиях плоской деформации Gic кгс/мм или Kic в случае размерности кгс/мм3/2. Величины Gіс и Кс связаны между собой:

В тех случаях, когда форма возможных дефектов, толщина и свойства металла таковы, что в конструкции может реализоваться схема плоской деформации, получил распространение подход, при котором экспериментально находят критерий /Сіс или Gic, мето­дами дефектоскопии определяют имеющиеся размеры дефектов и вычисляют допустимые напряжения, при которых дефект не рас­пространяется. Часто вопрос решается в иной постановке: по извест­ному критерию Ирвина и действующим напряжениям определяют допустимые в конструкции размеры'дефектов. Такому ясному и простому использованию критерия Ирвина на практике мешает ряд следующих обстоятельств:

в сварных конструкциях из высокопрочных металлов часто используют такую относительно небольшую толщину металла, при которой условия плоской деформации не обеспечиваются даже при наличии очень острого надреза;

форма и расположение дефектов таковы, что они не могут быть приведены к схеме плоской деформации;

часто отсутствует достоверная информация о всех возможных дефектах металла и сварных соединений.

Имеются и другие причины. В таких ситуациях величину крите­рия Ирвина используют как характеристику металла, отражающую его сопротивляемость развитию имеющегося трещиноподобного дефекта. При прочих равных условиях предпочтение отдают тому металлу, у которого критерий Ирвина больше.

Наряду с использованием критерия Ирвина важное значение для тонколистовых высокопрочных металлов имеет величина удель­ной работы распространения движущейся трещины ар, кгс • м/см2.

Форма разрушения тонкого металла при движении трещины существенно отличается от схемы плоской деформации, в особен­ности при срезе под углом, близким к 45°. Поэтому величина ар не совпадает с критерием Ирвина и является самостоятельной допол­нительной характеристикой сопротивляемости листового металла быстрому распространению трещины. Она может быть определена на образцах с предварительно созданной усталостной трещиной, которые испытывают на копрах [4], или при статическом нагру­жении методом тепловой волны.