Хладостойкость стали при наличии дефектов типа трещин

На практике при низких температурах могут наблюдаться хрупкие разрушения при напряжениях ниже предела текучести. Это происходит потому, что в металле всегда имеются трещины или трещиноподобные дефекты. Они являются концентраторами напряжений и инициируют разрушения.

Для оценки несущей способности изделий, ослабленных трещинами, используют подходы механики разрушения, позволяющие определить характеристики трещиностойкости.

Трещиностойкость можно оценивать при разных видах нагружения: статическом, динамическом, циклическом, длительном статическом.

Чаще всего используют оценку трещиностойкости при статическом нагружении для стадии старта трещины. Для оценки условий старта трещины нормального отрыва при максимальном стеснении пластической деформации при вершине трещины используют критический коэффициент интенсивности напряжений K _Ic или, при меньшей толщине образца, K _c— условный коэффициент интенсивности напряжений. Эти характеристики часто называют вязкостью разрушения. Они связывают допустимые напряжения в конструкции при наличии трещин определенной длины: , где σ — среднее приложенное напряжение; с — полудлина трещины. Отсюда размерность K [МПа · м^1/2].

Влияние температуры на статическую трещиностойкость ряда марок стали, определенную на компактных образцах толщиной 50 мм с внецентренным растяжением приведено на рис. 13.1.

Знание характеристик вязкости разрушения позволяет определить максимально допустимые напряжения в конструкции при наличии трещин определенной длины.

Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения K _c и K _Ic, чем высокопрочные. С понижением температуры вязкость разрушения резко падает (рис. 13.2).

Рис. 13.1. Влияние температуры на статическую
трещиностойкость сталей 20ХГНР (1), 22К (2), 38Х2НМА (3), ОН6А (4) и 12Х18Н10Г (5):
сплошные линии — K _Ic; пунктирные линии — K _c

Рис. 13.2. Температурная зависимость предела
текучести и вязкости разрушения деформированной высоколегированной конструкционной стали

Известно, что литая сталь отличается от деформированной более сильной исходной поврежденностью в виде микропор, раковин и трещин. Она имеет более крупное первичное зерно и его измельчение представляет более сложную задачу. Разнозернистость литой структуры также более выражена. Термическая обработка отливок по обычным режимам не устраняет в полной мере структурные особенности литого металла.

Рис. 13.3. Зависимость предела трещиностойкости K _c, от предела текучести σ_0,2 литейных сталей:
1 — K _c; 2 — K _c = K _Ic

Хотя литейные стали существенно различаются по структуре, была сделана попытка построить единую зависимость (рис. 13.3) их предельной трещиностойкости от предела текучести при различных видах разрушения: вязких (I), квазихрупких (II) и хрупких (III). Для построения зависимости литые стали разных марок с различной прочностью (σ_0,2 = 270–1000 МПа) испытывали на статическую трещиностойкость по стандартной методике на машине «Инстрон-1255». Испытаниям на внецентренное растяжение подвергали компактные образцы толщиной 25 мм. По результатам испытаний при температурах от 20 до –70 °С рассчитывали предел трещиностойкости K _c, а при выполнении условий корректности — K _Ic.

Диаграмму предельной трещиностойкости условно можно разделить на три участка: 1) σ_0,2 < < 500 МПа; 2) σ_0,2 = 500–800 МПа; 3) σ_0,2 > 800 МПа. На первом участке с повышением прочности литейной стали трещиностойкость растет. К этой группе сталей относятся, в основном, низкоуглеродистые экономнолегированные стали со структурой, состоящей из смеси феррита и перлита, и имеющие вязкий характер разрушения. Основным путем повышения трещиностойкости этих сталей является повышение прочности. На втором участке диаграммы трещиностойкость с повышением прочности снижается, что связано с переходом от вязкого разрушения к хрупкому. К этой группе в основном относятся среднелегированные более легированные стали со структурой, состоящей из смеси сорбита и бейнита или сорбита после закалки и высокого отпуска. На третьем участке трещиностойкость сталей резко снижается, что связано с заметным снижением пластичности и определяется критическими значениями коэффициента интенсивности напряжений, которые имеют тенденцию к стабилизации. К третьей группе относятся износостойкие стали с хрупким разрушением после закалки и низкого отпуска, имеющие структуру отпущенного мартенсита.

Основным путем повышения трещиностойкости сталей второй и третьей групп является повышение пластичности при сохранении заданного уровня прочности. Далее будет показано, что основными методами повышения пластичности этих сталей являются: оптимизация их химического состава, снижение содержания вредных примесей, совершенствование процесса конечного раскисления, модифицирование металла с помощью комплексных лигатур с ЩЗМ и РЗМ, выбор рационального режима термической обработки, измельчение зерна.

Таким образом, оптимальными с точки зрения максимальной трещиностойкости и хладостойкости являются литейные стали, имеющие предел текучести 300-800 МПа, так как они обладают рациональным сочетанием характеристик прочности и пластичности. Стали с пределом текучести < 300 МПа не могут быть использованы в качестве хладостойких в связи с низкими характеристиками прочности. Стали с пределом текучести > 800 МПа обладают низкой хладостойкостью вследствие пониженной пластичности. Эти стали в условиях низких температур могут быть, по-видимому, использованы, в основном, в качестве износостойких.