Структура металла и хрупкость стальных изделий
..pdfАКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОФИЗИКИ
Ю. Я. МЕШКОВ
Г. А. ПАХАРЕНКО
СТРУКТУРА
МЕТАЛЛА
И ХРУПКОСТЬ СТАЛЬНЫХ
ИЗДЕЛИЙ
КИЕВ НАУКОВА ДУМКА 1985
УДК 539.4
Структура металла и хрупкость стальных из делий / Мешков Ю. Я., Пахаренко Г, А.— Киев : Наук, думка, 1985,— 268 с.
В монографии обобщены результаты оригиналь ных теоретических и экспериментальных исследова ний по физической природе хрупкого разрушения металлов, основанных на идее микроскола как фунда ментального явления, развивающегося на самых на чальных, микроскопических стадиях разрушения кри сталлической решетки путем чистого разрыва межатом ных связей. Исследовано влияние структурного со стояния железа, углеродистых и легированных сталей на напряжение микроскола i?Mc. Развита теория
разрушения сталей и элементов стальных изделий» находящихся в сложном напряженном состоянии или содержащих локальные концентраторы напряжений различной природы. Предложены рекомендации по рациональному снижению коэффициентов запаса проч ности и физически обоснованному выбору конструк ционных материалов с целью повышения надежно сти и снижения металлоемкости машин и сооруже ний.
Для инженеров-конструкторов, технологов-метал- ловедов и машиностроителей, научных работников в области физических проблем прочности и разрушения металлов.
Ил. 143. Табл, 31. Библиогр,: с, 259—263 (124 назв.).
Ответственный редактор Л. Н. Лариков
Рецензенты Л. В. Тихонов, Ю. В. Мильман
Редакция физико-математической литературы
© Издательство «Наукова думка», 1985
ПРЕДИСЛОВИЕ
Хрупкое разрушение металлических изделий чаще всего ассоциируется с хруп костью материала, из которого они изготовлены, с его недостаточно высокой пла стичностью или вязкостью. Несмотря на практическую важность понятия вязкос ти, оно еще не получило физически обоснованного определения, которое позволило бы ввести критерий достаточности этого качества. Трудность в том, что в дей ствительности хрупкое разрушение изделия не всегда обусловлено хрупкостью самого материала, который при контрольных испытаниях в лаборатории может обнаруживать вполне заметный уровень пластичности. Потеря необходимой пла стичности материала в изделии возможна по двум причинам: из-за влияния вида напряженного состояния на свойства металла и вследствие охрупчивающего воз действия на металл различных труднообнаруживаемых концентраторов напря жений. В свою очередь влияние охрупчивающих факторов существенно зависит от свойств материала. Зная закономерности этой взаимосвязи можно управлять надежностью силовых элементов конструкций и лучше объяснять природу тако го качества материала, как его пластичность или запас вязкости. Определяющая роль структуры металла во всех этих вопросах очевидна. Однако надлежащий учет Структурных факторов в таких задачах требует развития соответствующих моделей процессов деформирования и разрушения металлов на микроуровне, Современная дислокационная физика прочности и разрушения металлов в настоя щее время может сформулировать задачу разрушения в рамках количественной модели, охватывающей самый главный, критический момент нагружаемого ме талла — момент начала нестабильного (лавинного) роста разрушающего де фекта — трещины. Обычно критическую стадию в разрушении металлов приня то искать в зарождении и слиянии множества микротрещин в макротрещину, переходящую затем в лавинный рост. Исследования показали, что в большин стве случаев, в том числе и тех, когда разрушение стимулируется готовой мак роскопической трещиной, критическая стадия разрушения металлов реализует ся еще на стадии зарождения субмикротрещины дислокационного или структур ного происхождения.
Условия нестабильности субмикротрещин столь малых размеров, составля ющих обычно доли микрометров, принципиально отличаются от таковых для обыч ных микро- и макротрещин в том отношении, что начальный момент роста суб микротрещины в микрообластях осуществляется путем внутреннего скола, т. е. происходит вследствие простого разрыва атомных связей при непосредственном отделении кристаллографических плоскостей. Так возникло представление о
3
механизме микроскопа как фундаментальном физическом явлении, лежащем в основе инициирования процесса разрушения железа и сталей.
В настоящей монографии рассматриваются процессы разрушения стали с позиций концепции микроскопа, что позволяет не только связать количественно характеристики структуры металла и сопротивление хрупкому разрушению в общем виде сложного напряженного состояния и с единой точки зрения объяс нить природу хрупкого и вязкого разрушения, но и применить ряд выводов физической теории в анализе проблемы силовой надежности стальных изделий.
Первый раздел посвящен теоретическому обоснованию модели микроскола, второй — экспериментальной разработке развиваемой концепции, третий — результатам применения эффекта микроскола к разрушению стальных изделий как попытке использования некоторых практических возможностей, вытекаю щих из нового подхода к проблеме разрушения.
Авторы надеятся, что первое систематизированное изложение их нетрадици онных взглядов на важнейшую проблему современной техники позволит при влечь внимание специалистов, интересующихся фундаментальными аспектами разрушения стали и возможностью их практического использования в инженер ноприкладных задачах.
Авторы благодарят своих коллег, сотрудников отдела физики прочности и разрушения сталей Института металлофизики АН УССР, оказавших помощь в проведении ряда вкспериментов и в подготовке рукописи к печати,
ВВЕДЕНИЕ
Разрушение металлических изделий и конструкций всегда выходило за рамки чисто технического явления, поскольку затрагивало не только производственно-экономические интересы общества, но за частую было связано с проблемой безопасности человека в сфере его производственно-технической деятельности. Можно сказать, что
внастоящее время проблема надежности машин и сооружений со временной техники носит характер социальной проблемы, нередко ограничивающей возможности общества в решении многих крупно масштабных уникальных проектов. Неудивительно, что решению за дач по выяснению природы явления разрушения металлов и сплавов
внастоящее время во всем мире уделяется огромное внимание. Эта проблема входит во многие общегосударственные программы науч ных исследований, активно ведется международная кооперация и ко ординация работ по разрушению.
Современная физическая теория прочности и разрушения метал лов, несмотря на несомненные достижения дислокационной теории, еще не стала инженерной наукой, поскольку затруднителен учет мно гих факторов, приводящих к разрушению. Действительно, чтобы теория могла объяснить причину внезапного разрушения многотон ной стальной конструкции при нагрузке ниже расчетной, казалось бы обеспечивающей ее нормальную несущую способность, необходим
учет всех факторов, от которых зависит прочность конструкций
впредельном состоянии. Эти факторы могут быть разнородны и изу чают их науки, порою плохо связанные между собой. Так, прочность металла зависит в первую очередь от прочности межатомных связей
вкристаллической решетке, исследованием природы которых зани мается квантово-механическая теория твердых тел [1], объясняющая на основании зонно-энергетического спектра электронов силы сцеп ления атомов в идеальной, т. е. бездефектной решетке, и тип кристал лической решетки, в которой атомы данного вида образуют устой чивую конфигурацию. Простейшей мерой, характеризующей силу сцепления атомов в решетке твердого тела, может служить энергия сублимации [1]. В реальных металлах кристаллическая решетка мо жет быть бездефектной лишь в весьма ограниченных объемах, в бло ках, линейные размеры которых порядка 10—103 нм (102—104 А) [2]. Наличие дефектов в решетке, в первую очередь дислокаций, сильно
5
понижает прочность реального металла, делает ее зависящей от коли чества дислокаций в единице объема металла (их плотности), от ха рактера их распределения и взаимодействия в монокристаллических областях металла, т. е. от вида внутризереыной дислокационной суб структуры [3, 4, 5]. Прочность также зависит от размера зерна поликристаллического металла, наличия дисперсных частиц второй фазы в матрице, их количества, формы, однородности распределения, т. е. от всех тех факторов металлургического порядка, которые изучает ме талловедение, включающее в свою задачу обеспечение оптимального химического состава и структурного состояния металла. Эти факторы внутреннего строения металла не рассматривает механика прочности, которая детально исследует роль макроскопических дефектов типа трещин и других факторов, вносящих возмущения в однородное рас пределение напряжений и деформаций в однородное изотропное упру го-пластическое твердое тело. Такой стык между дислокационной фи зикой, металловедением и механикой в настоящее время стал наиболее актуальной проблемой исследований, в которой ведущую роль зани мает механика разрушения (6, 7) и в частности ее область, которая непосредственно учитывает особенности структурного строения метал лов, так называемая структурная механика разрушения [8, 9]. Вместе с тем прочность зависит от характера распределения напряжений,; т. е. от вида напряженного состояния, что также изучает механика прочности [10]. На прочность влияют также внешние факторы: внеш няя среда, температура и скорость деформирования. Отметим, что последний фактор при уменьшении скорости деформирования прояв ляется в виде характерной временной зависимости прочности твердых тел, теоретические основы которой развиты в работах С. Н. Шуркова И его школы с позиций термофлуктуационно-кинетической природы разрушения твердых тел [11—15].
Перечисление факторов, влияющих на прочность стальных изделий, свидетельствует, что между процессами, определяющими силы сцепления атомов в металле, и природой воздействия вида на пряженного состояния на прочность металла дистанция настолько велика, что соединить их в рамках единой теории прочности невоз- | можно. В столь сложном многоплановом явлении важно удачно вы- ?брать главное, определяющее звено механизма, занимающее ключевое место в процессе разрушения. Трудность заключается в правильном определении этого решающего звена, более того, априори нельзя даже быть уверенным в том, что такое центральное звено в явлении разру шения металлов существует, поскольку проблемой прочности твер дых тел занимаются слишком разные по содержанию самостоятельные пауки: физика, металловедение и механика. Однако узловым момен том, связывающим интересы этих трех наук, может и должна быть кристаллическая структура реального металла, которая составляет предмет изучения современного физического металловедения. По
этому центральное звено данной проблемы может оказаться именно в той области явлений, где определяющую роль играют кристалличе ская структура конструкционного металлического материала и за кономерности ее изменения в процессах деформирования. Именно
6
здесь в ходе пластической деформации конгломерата разноориеитировэнных кристаллитов металла, зерен, возникают, развиваются и на капливаются те дефекты, которые при определенных условиях могут оказаться первоисточниками глобального разрушения всего многотон ного изделия. Интересным звеном в процессе разрушения является критический момент, при котором в результате структурных измене ний в деформируемом металле возникает дефект, теряющий под действием приложенных напряжений устойчивость и спонтанно разви вающийся вплоть до полного разрушения изделия. Критерий неустой чивости этого критического дефекта в металле и будет служить крите рием разрушения изделия. Вопрос состоит в том, что представляет собой такой критический дефект, какова его природа, размеры, связь со структурой металла. Видимо, именно здесь следует искать то цент ральное звено, о котором говорилось выше. Связь размера критиче ского дефекта, трещины, с приложенным внешним растягивающим напряжением для хрупкого твердого тела дал Гриффитс [16]. Но он не рассмотрел источник возникновения трещин, связь критического раз мера ее с природой и внутренней структурой металла. Выяснение этого является основной задачей в современной физической теории прочности, рассматривающей явление разрушения на основе учета реальной кристаллической структуры и ее изменения при деформиро вании металла. Существенный шаг в понимании природы разрушения железа и сталей был сделан, когда за основу механизма разрушения деформируемого поликристаллического металла приняли единичный акт перехода в неравновесную лавинную стадию роста чрезвычайно малой по своим размерам, но зато предельно острой субмикротрещи ны, растущей на первых порах по законам идеально хрупкого скола в бездефектной микрообласти металла. Такая модель, названная микросколом, позволила количественно вычислить размер критической трещины в его прямой связи с основными характеристиками структу ры металла: размером зерна и частиц цементита в стали, а также дать количественно прогнозируемое напряжение хрупкой прочности железа и стали на основе анализа их структурного состояния [17]. Нео жиданный вывод, следующий из модели микроскола, то, что критиче ское событие в разрушении металла происходит не там, где его при нято искать, и состоит не в слиянии хаотически возникающих микро трещин в одну магистральную, разрушающую. Критическую роль в разрушении поликристаллического металла играет лишь одна из множества зародышевых субмикротрещин, обычно имеющая размеры порядка десятых долей микрона, примерно V70 размера среднего диаметра зерна. Тогда критическое событие в разрушении прояв ляется на микроуровне явления и имеет микроскопическую природу. Отсюда становится понятна решающая роль микроструктуры метал ла для его прочностных и пластических свойств. В настоящей моно графии рассматриваются закономерности влияния структуры на ус ловия проявления микроскола как решающего этапа при разрушении стали.
Один из видов нарушения несущей способности изделия под нагруз кой — полное разрушение. Иной вид предельного состояния —
7
текучесть, которая обычно является инженерным признаком наруше ния прочности металлического изделия. Несмотря на то что физическая природа текучести дислокационной теорией представлена более пол но и детально, чем разрушения, все же принципиально важный во прос, как влияет вид напряженного состояния на начало макротеку чести в металлах, остается невыясненным. В механике сопротивления материала это затруднение устраняется с помощью соответствующих гипотез предельных состояний (теории прочности), разных для хруп ких и пластичных материалов, либо комбинированных, обобщенных,; критериев [10]. Но даже для пластичных материалов, у которых пре дельное состояние возникает посредством текучести, э не разрушения, нет единого критерия начала течения. Практика свидетельствует, что одни пластичные материалы лучше подчиняются критерию Кулона (за начало текучести ответственно наибольшее касательное напряже ние в системе, достигающее критического значения), другие, также плаотичные, материалы — критерию Мизеса (текучесть обеспечивают критические касательные напряжения на октаэдрических площадках). Но большинство материалов обычно лишь приблизительно удовлет воряют одному из указанных критериев, а чаще всего напряжения текучести имеют промежуточные значения. Такая неоднозначность поведения пластичных металлов не позволяет заранее с уверенностью решать вопрос о напряжении, при котором следует ожидать текуче сти данного материала в интересующих нас условиях напряженного состояния. Вопрос этот важен не только для знания предельного состояния по условию текучести. Дело в том, что в критерии микроскола начало макротекучести металла является первым необходи мым условием, поскольку лишь пластическая деформация создает те зародышевые субмикроскопические трещины, которые в определен ный момент могут стать критическими, вызвать микроскол, а затем и полное разрушение. Таким образом, для полного описания явления микроскола в общем случав сложного напряженного состояния без уяснения закономерностей влияния вида напряженного состояния на начало макротекучести не обойтись. В настоящей монографии делается попытка развить физическую модель текучести поликристаллического металла с учетом его структурного состояния и вида напря женного состояния.
Дальнейшим шагом в понимании природы разрушения металлов должно быть уяснение взаимосвязи хрупкого и вязкого разрушения металлов. Поскольку текучесть, т. е. пластическое деформирование* является неотъемлемой составной частью микроскола, то законо мерен вопрос, насколько далеко в шкале пластических деформаций простирается эта основополагающая связь. Иными словами, если раз рушение не произошло в самом начале текучести, то сохранится ли возможность микроскола при дальнейшей пластической деформации в условиях деформационного упрочнения материала? В настоящей ра боте дан утвердительный ответ не только на этот вопрос, но и показа но, что микроскопическая природа начального этапа разрушения* вызванного действием нормальных напряжений, всегда одна и та же, независимо от того* хрупким или вязким было поведение металла при
8
разрыве. В основе хрупкого и вязкого разрушения железа ы стали в обычных условиях, когда не возникает чистого среза, лежит одно и то же явление — микроскол. Это принципиально важное обстоя тельство позволило осуществить прогнозирование ожидаемого зна чения предельной пластичности стали при разрыве (сужение в шейке о}з) и дать критерий предельной пластичности металла при вязком разрушении в заданном напряженном состоянии. Таким образом, возникла возможность уяснить физическую природу такого важного свойства конструкционного материала, как его вязкость, и дать фи зически обоснованную количественную характеристику этого свой ства — коэффициент вязкости К в, оказывающий решающее влияние
на несущую способность элемента конструкции в условиях сложного напряженного состояния, в том числе и в изделиях с концентрато рами напряжений. Отсюда возникает возможность физического обос нования назначения допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности. Так один довольно частный элемент в физической модели разрушения металлов — эффект микроскола — неожиданно сыграл роль плодотворной идеи, существенно повлиявшей на пони мание природы целого ряда сопутствующих обстоятельств, примы кающих к проблеме разрушения стали и стальных изделий. По-видимому, такое положение — признак того, что явление внутрпзеренного микроскола может рассматриваться в качестве централь ного узлового звена в сложной картине разрушения металлов. Веро ятно, это может объяснить внимание, которое уделено эффекту микро скола в настоящей монографии.
Р А З Д Е Л I
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОСКОПА
Г Л А В А 1
ТЕОРИИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
§ 1.1. Классификация видов разрушения
Разрушение металла — это микроскопическое в своей основе физическое явление, хотя внешне оно проявляется в механическом, ч. е. макроскопическом аспекте. Суть этого многопланового и слож ного явления заключается в закономерностях процессов упругого и пластического деформирования кристаллических материалов,, обладающих определенной микрокристаллической и субмикроскопи ческой структурой, оказывающей решающее воздействие на зарожде ние и развитие очагов будущего макроразрушения. В зависимости от структурного состояния и конкретных физико-механических свойств металлического материала, от внешних условий силового нагруже ния и от присутствия микро- и макроскопических дефектов разруше ние материала может настолько различаться по своему характеру,; что зачастую не удается его полностью охарактеризовать в рамках единой классификации. Поскольку всякая классификация в значи тельной мере условна, а проблема представляет интерес, то имеет смысл ограничиться рамками микроструктурного подхода к анализу условий разрушения как в наибольшей мере соответствующего дан ному предмету. В настоящее время известно, что между хрупким и вязким разрушением нет резкой границы, поскольку при всяком разрушении всегда отмечается хотя бы в небольших проявлениях пластическая деформация. В современных представлениях никакой реальный металлический материал, кроме бездефектного кристалла с идеальной решеткой, не может быть разрушен без пластической деформации, поскольку первоначальным источником разрушения на микроуровне служит субмикротрещина, зарождение которой в крис талле невозможно без элементарных актов пластического деформиро вания кристалла [18—20]. Вероятно, поэтому классификацию видов разрушения по характеру наблюдаемой в изломе картины пласти ческой деформации следует считать наиболее целесообразной. До стижения современной техники сканирующей электронной микроско пии сделали возможным детальный анализ тонких эффектов фрактографической картины разрушения металлов, положенный в работе [21] в основу классификации типов микромеханизмов разрушения.
Авторы [21] считают целесообразным провести классификацию микромеханизмов разрушения на основные типы по наиболее важ ным характеристикам — вязкости и структурному признаку разру-
10