Диссертация (Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой), страница 4

В этом случае критерий начала разрушенияпредставляется в видеt -t 0 =5Ggd(1.7)где t и t0 – действующее сжимающее касательное напряжение инапряжение трения (препятствует движению дислокаций); G – модуль сдвига;g =E ×b- удельная поверхностная энергия, Е – модуль упругости; b – вектор25Бюргерса, d – размер зерна.Из (4) следует, что чем меньше диаметр зерна в поликристаллическом теле,тем большее касательное напряжение t требуется для зарождения трещины, аувеличение размера зерна d и размера микротрещины a зародыша согласно (1.6 и221.7) увеличивает концентрацию напряжений в его окрестностях и вероятностьразрушения сколом.1.2.4. Переход от вязкого разрушения к хрупкомуА.Ф. Иоффе, исходя из представления о двух типах разрушения – хрупкогои вязкого, предложил схему перехода от вязкого к хрупкому при понижениитемпературы (Рис.

1.7) [12]. Сила связи между атомами кристаллической решеткимало меняется с изменением температуры, так как расстояние между атомамиможно считать постоянным (коэффициент линейного расширения металлов –порядка (8 – 15)×10-6 1/град×°С. Поэтому можно считать, что s отр » Const . А пределтекучестиопределяетсяподвижностьюдислокаций,котораязависитоттемпературы s s = f (T ) . При высокой температуре подвижность дислокацийбольшая, поэтому σs невысок. С понижением температуры подвижностьдислокаций уменьшается, а предел текучести растёт.Рис. 1.7.

Схема перехода от вязкого разрушения к хрупкому [12].Точка пересечения линий σотр и σs, соответствующая критическойтемпературе хрупкости Tкр, делит схему на две температурные области: левееточки Tкр располагается область хрупкого разрушения, и перед разрушениемматериал претерпевает лишь упругие деформации; правее точки Tкр – область23вязкого разрушения, т.е. под нагрузкой материал пластически деформируется доразрушения (σs<σотр).Математически условие достижения равенства σs= σотр с учётом удельнойповерхности энергии g и размера зерна d принимает вид подобный выражению(1.7) [11]:s s = s отр =4Ggkd 1/2(1.8)где k – коэффициент, связывающий напряжения с размером зерна.Положение точки перехода от вязкого разрушения к хрупкому (Ткр) зависитот влияния температуры на величины, входящие в выражение (1.8). Этазависимость объясняется следующим.

Поверхностная энергия g плоскостейобразующихся при разрушении связана с источниками дислокаций, мало зависитот температуры, а определяется, в основном, природой металла (строения атомови типа кристаллической решётки). Коэффициент k, связывающий напряжение сразмером зерна также мало зависит от температуры.Основное влияние температуры проявляется посредством зависимостинапряжения трения от температуры σ0=f(T), а так как подвижность дислокацийзависит от температуры, то чем ниже температура, тем менее подвижныдислокации, тем бо́льшие усилия требуются для их перемещения, а это означаетвозрастание напряжения трения t0 в (1.7), которое проявляется в увеличениипредела текучести (Рис. 1.7).Напряжение трения можно представить в виде двух составляющих: σ+ независящей от температуры и σ* - изменяющейся с температуройs * = B × e -a T(1.9)B и a - постоянные коэффициенты.Если σ+ независимая от температуры составляющая не слишком велика, тоею можно пренебречь и считать, что величина σ0 = σ* определяется толькотемпературой, согласно формуле (1.9).

После логарифмирования (1.9) имеемln s 0 = ln B - aT(1.10)24Подставляя σ0 из (1.8) в (1.10) получим температуру перехода от вязкогоразрушения к хрупкому:aTкр = ln B - ln(4qGg- k ) - ln d -1/2k(1.11)Из соотношения (1.11) следует подтвержденный на практике вывод, что суменьшением размера зерна линейно убывает Tкр (Рис.

1.8), то есть при этомповышается хладостойкость металла [11]. Необходимо ещё раз подчеркнуть, чтоединственным способом, повышающим стойкость металла против охрупчивания,является измельчение зерна.Рис. 1.8. Зависимость температуры перехода от вязкого разрушения к сколуот размера зерна [16]1.2.5. Вязкое разрушениеВязкость – это способность материала пластически деформироваться ипоглощать энергию до и в процессе разрушения.

Вязкость стали – величинапеременная и зависит от схемы приложения напряжений (одно-, двух илитрёхосное нагружение), скорости нагружения и температуры. [17]Характер разрушения металлов (хрупкое и вязкое) тесно связан также с ихвнутренней структурой [18]. Металлы с объёмно-центрированной кубической (Fe,25W, Mo), а также с гексагональной плотноупакованной решётками (Zn, Be)являются пластичными в диапазоне сравнительно высоких температур, ностановятсяхрупкимипринизкихтемпературах.Аметаллысгранецентрированной кубической решёткой (Al, Cu, Ni и др.) проявляютпластичность даже при температурах, приближающихся к абсолютному нулю.Вязкое разрушение – это независимо от температуры обычный механизмразрушения металлов с ГЦК – решеткой и при высоких температурах – металловс ОЦК и гексагональной плотноупакованной решеткой.

Считается, что вязкоеразрушение – это просто процесс пластической деформации, которая, в конечномсчете, приводит к образованию шейки и разделению материала (Рис. 1.3). Такоепредставлениеочевидновслучаеразрушениячистогомонокристалла,деформирование которого идёт вплоть до 100% - ного сужения, но не очевиднопри разрушении поликристаллов.В поликристаллических телах границы зёрен, поверхностно-активныеэлементы и соединения, адсорбируемые на границах, тормозят движениедислокаций, тормозят деформацию – всё это способствует зарождению трещин иразрушению без особого сужения, т.е.

хрупкому. При этом проявляется, такназываемый масштабный фактор: чем больше площадь нагружения, тем большедефектов тормозящих деформацию.Представления о вязком разрушении разработаны на основе идей Орована ссотрудниками [19] и Типпера [20]. Центральным в этих представлениях являетсяглавенствующее влияние на механизм вязкого разрушения инородных включенийи твёрдых частиц второй фазы.1.2.5.1. Зарождение и развитие трещин при наличии в металлеинородных частиц или частиц второй фазыКак уже было отмечено ранее, разрушение твёрдого тела представляетсобой двухстадийный процесс:1) зарождение;262) развитие трещин.Зарождение трещин при вязком разрушении. Основным источникомзарождения трещин являются инородные включения - оксиды, карбиды, нитриды,сульфиды и др. Зарождение трещин может осуществляться двумя способами:дислокационным и образованием пустот около включений.

Можно считать, чтокраевая дислокация на конце лишней атомной плоскости содержит зародышевуютрещину (Рис. 1.9, а). При дислокационном способе – дислокации, генерируемыев процессе пластической деформации, движутся вдоль линии приложениянагрузки. При достижении дислокациями границы матрица-включение ихдвижение блокируется. Когда дислокации скапливаются у этой границы,образуется трещина вследствие слияния зародышевых трещин (Рис. 1.9, б).Рис. 1.9.

Краевая дислокация (а) и блокирование дислокаций на границематрица – включение (б)Во втором случае механизм зарождения трещины сводится к следующему.Из-за различия упругих и пластических характеристик включения и матрицы награнице между ними происходит разделение и вблизи матрицы образуетсяполость (Рис. 1.10) [21]. Развитие этих полостей, как будет показано ниже,разделяет образец на ряд перетяжек с образованием шеек.27Рис. 1.10. Образование поры при деформации образца с включением [21]Рост трещины. Образующиеся микропоры вокруг инородных включенийвторой фазы разрастаются до встречи с соседними микропорами.

Происходитслияние (коалесценция) соседних пор, при дальнейшем разрастании которыхобразуется ряд перетяжек с шейками (Рис. 1.11) и разрыв атомных связей(хрупкий разрыв).Рис. 1.11. Схематическое представление механизма зарождения, роста икоалесценции пор в металле [22]В результате коалесценции пор поверхность разрушения принимает видямочного рельефа. В зависимости от схемы загружения возможны три вариантаслияния пустот, влияющих на форму ямок (Рис. 1.12) [23]:28а) нормальный разрыв (напряжение σ1 нормально к плоскости слияние (Рис.1.12, а);б) сдвиговый разрыв (срез), напряжение σ1 направленно под углом кплоскости слияния, разрушение происходит от касательного напряжения(Рис.

1.12, б);в) расклинивание (Рис. 1.12, в).Рис. 1.12. Три основных наблюдаемых способа слияния пустот.Для каждого способа схемы показывают (слева направо):1) материал напряжен почти до уровня локального разрыва; 2) локальныйразрыв; 3) направление впадинок на поверхностях разрыва [23]При большом увеличении поверхности излома на дне ямок частообнаруживаются частицы включений, которые явились источниками зарождениямикропор (Рис.

1.13 и 1.14) [23, 24].29Рис. 1.13. Равноосные ямки (схема нагружения – Рис. 1.12, а).Алюминиевый сплав (увеличено в 30000 раз) [24]Рис. 1.14. Ямки сдвига (схема нагружения – Рис. 1.12, б).Нержавеющая сталь типа Ч10 (увеличено в 3600 раз) [24]Изучение поверхности излома (фрактография) позволяет при большихувеличениях выявить зоны вязкого и хрупкого изломов, схему нагружения,направление развития трещины, форму и состав включений, спровоцировавшихэту трещину.301.2.5.2.