Что понимают под порогом хладноломкости

2 МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

2.I. Стандартные образцы для испытаний на ударный изгиб.

2.2. Маятниковый копер МК-30А

2.3. Наборы образцов, испытанных при различных температурах.

3 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1 Хрупкое и вязкое разрушение

В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает значительную пластическую деформацию, при хрупком макропластическая деформация отсутствует, разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна действующим напряжениям. Разрушение начинается от дефекта (микротрещины), вблизи которого концентрируется напряжения, превосходящие теоретическую прочность металла. У пластичных металлов благодаря релаксации напряжений их концентрация вблизи несплошностей сказывается недостаточно и развитие трещин скола (т.е. хрупких) не происходит. Вязкое и хрупкое разрушения характерны соответственно для аморфных (смолы, глины) или идеально упругих материалов (алмаз), большинству же реальных материалов присуще, в зависимости от условий эксплуатации или испытаний, и вязкое, и хрупкое разрушения. Характерными признаками разрушения являются такие, как энергоемкость (величина работы разрушения), вид трещины (а также поверхности излома), скорость распространения трещины.

Хрупкое разрушение происходит за счет высвобождения накопленной упругой энергии и для распространения трещины не требуется подвода энергии извне, поскольку ее затраты на образование меньше, чем освобождающаяся при этом упругая энергия. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения.

При хрупком разрушении трещина имеет малый угол раскрытия (острая), пластическая деформация почти отсутствует; при вязком – трещина тупая, поверхность разрушения обычно значительно деформирована (рисунок 1).

Макроизлом при хрупком разрушении имеет, как правило, блестящую поверхность, плоские грани расколотых зерен придают хрупкому излому металлический блеск. Излом при вязком разрушении имеет матовую волокнистую поверхность без металлического блеска.

Скорость распространения хрупкой трещины сравнима со скоростью звука в металле (тысячи метров в секунду), вязкая трещина распространяется значительно медленнее, ее скорость определяется скоростью нарастания напряжения.

Наиболее опасным для реальных конструкций является хрупкое разрушение, поскольку оно происходит, как правило, при напряжениях, составляющих небольшую долю расчетных за счет концентрации напряжений в вершине острой трещины.

При появлении острой и длинной трещины напряжения вблизи ее вершины могут значительно (на I – II порядка) превышать приложенное напряжение. Поэтому для инициирования хрупкого разрушения совсем не обязательны высокие средние напряжения, достаточно, чтобы только в вершине трещины были превышены предельные для данного материала напряжения.

а	б
Рисунок 1 – Вид трещины и схемы разрушения: а – хрупкое, б – вязкое
s, МПа	Т, °С Ткр
Рисунок 2 – Схема вязко – хрупкого перехода по Иофе – Давиденкову

Процесс возникновения начальной микротрещины сопровождается микропластической деформацией даже при хрупком разрушении. Доказано, что перемещение дислокаций по плоскостям скольжения, почти не требующее энергетических затрат, их скопление у межфазных границ и других “непрозрачных, барьеров приводит к концентрации напряжений в локальной зоне и нарушению сплошности (микротрещина). Это зародышевая микротрещина при наличии напряжений подрастает за счет поглощения других дислокационных трещин до критической, когда напряжения в ее вершине достигнут уровня прочности.

Характер разрушения конкретного материала зависит от ряда факторов: температуры, условий нагружения, формы и размеров детали, вида концентратора напряжений (надреза), характера среды, свойств и природы материала (тип решетки, состав и структура, размер зерна и т.п.).

Свойство материалов хрупко разрушаться с понижением температуры называется хладноломкостью. Ее показателем и является критическая температура хрупкости Т_хр (называемая также температурой перехода в хрупкое состояние или порогом хладноломкости).

Анализ причин хрупких разрушений показывает, что трещины хладноломкости обычно начинаются от нарушений сплошности металла (надрезов), являющихся концентраторами напряжений. В данном случае под надрезом понимаются любые дефекты (царапины, неметаллические включения, раковины, пустоты, непровары, пористость, технологические отверстия и резкие переходы сечений).

Хладноломкость материала зависит от скорости нагружения, коррозионного воздействия среды, размеров детали, металлургических факторов.

Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллического строения и структуры металла. Металлы с ОЦК – решеткой (сплавы на основе a-железа, хром, вольфрам, молибден), некоторые металлы с ГП – решеткой (цинк, магний, кадмий, кроме титана являются как правило хладноломкими. Металлы с решеткой ГЦК (аустенитные стали, медь, никель, алюминий) не склонны к хладноломкости. Существенно понижается порог хладноломкости при измельчении зерна.

На практике чаще встречаются случаи смешанных разрушений (вязко-хрупких), когда в изломе наблюдаются волокнистые и кристаллические составляющие. Реальные сплавы разрушаются, как правило, вязко при высоких и хрупко при низких температурах. Порог хладноломкости для реальных сплавов изменяется в очень широких пределах: для некоторых сплавов хрома, молибдена и вольфрама Т_хр составляет сотни градусов Цельсия выше нуля, для никелевых – близко к абсолютному нулю. Собственно порог хладноломкости характеризуют иногда двумя температурами: Т_в – верхняя граница порога, выше которого излом полностью вязкий (не менее 90% волокна в изломе) и Т_н – нижняя граница порога, ниже которой излом полностью хрупкий (не более 10% волокна в изломе). Если порог характеризуют одной величиной, то указывают середину порога Т₅₀ или Т_п.х., – температуру перехода в хрупкое состояние, при которой в изломе 50% волокнистой составляющей.

3.2 Определение характеристик сопротивления разрушению

Для установления степени надежности материала определяют его сопротивление разрушению: вязкому (удельная энергия разрушения КС) и хрупкому (порог хладноломкости Т₅₀) при испытаниях на ударный изгиб.

3.2.1 Определение ударной вязкости при испытаниях на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78

Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором) посередине одним ударом маятникого копра, когда концы образца свободно лежат на опорах копра (рисунок 3). В результате испытаний определяют полную работу (К), затраченную на разрушение образца (работу удара), или удельную работу, т.е. ударную вязкость (КС).

		нож маятника образец опора
Рисунок 3 – Схема испытания на ударный изгиб на маятниковом копре

Образцы для испытаний на ударный изгиб имеют квадратное сечение и надрезы (концентраторы) следующих видов:

а	б
в

Значения К_п и К_ост определяют по шкале копра, проградуированной в кгс×м (Дж).

Работу удара обозначают двумя буквами и цифрами: первая буква (К) – символ работы удара, вторая буква (U или V или T) – вид концентратора; последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Индекс указывает температуру испытаний, отличную от комнатной. Эти цифры не вносят в обозначение работы удара, если испытание проведено в “стандартных” условиях: копер имеет максимальную энергию удара маятника 294 Дж, глубина концентратора (U или V) 2 мм и 3 мм (Т) и ширина образца 10 мм.

Ударная вязкость – это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Ударная вязкость имеет размерность Дж/см 2 (кгс·м/см 2 ) и вычисляется по формуле:

где К – работа удара, Дж (кгс×м);

Ее обозначают путем прибавления к символу работы удара буквы С, причем стандартные условия так же не вводят в обозначение. Например:

— КСТ +100 150/3/7,5 – ударная вязкость, определенная на образце шириной 7,5 мм с концентратором типа Т, глубиной 3 мм при температуре плюс 100 о С и максимальной энергией удара маятника 450 Дж

— КСU – ударная вязкость, определенная на образце шириной 10 мм с концентратором типа U, глубиной 2 мм при комнатной температуре и максимальной энергией удара маятника 294 Дж.

2.2 Определение порога хладноломкости

Испытания на ударный изгиб проводят, чтобы спрогнозировать поведение материала (и конструкции, изготовленной из него) в условиях эксплуатации, для установления склонности материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости определяют при проведении так называемых сериальных испытаний, т.е. испытаний на ударный изгиб большого числа образцов при последовательно понижающейся температуре. На построенной по результатам испытаний зависимости ударной вязкости от температуры (рисунок 5) порогом хладноломкости Т_пх считают температуру наиболее резкого падения ударной вязкости (изменение знака производной кривой КС – Т). Обычно эта температура лежит между Т_в и Т_н – верхним и нижним порогом хладноломкости –температуры соответственно начала падения КС и близкого к нулевому значению КС.

Порог хладноломкости определяют и по доле волокнистой составляющей в изломе ударного образца (процент волокна в изломе В) и доле хрупкого, кристаллического строения излома. Верхний порог хладноломкости примерно соответствует температуре, при которой в изломе 90% волокна, нижний – 10%. Критической температурой хрупкости (порогом хладноломкости) считают температуру, при которой в изломе образца 50% вязкой составляющей, поэтому ее часто обозначают Т₅₀. Следует отметить, что величины Т_пх и Т₅₀ не всегда совпадают, поскольку четкое разграничение излома на вязкую, волокнистую и кристаллическую блестящую части обнаруживается только при испытаниях углеродистых и низколегированных сталей. При испытаниях высокопрочных сталей зоны вязкой и хрупкой составляющей локализованы порой в пределах зерна, поэтому определяются не визуально, а при электронно-микроскопическом исследовании, когда можно уверенно выявить вязкое (чашечный излом) или хрупкое разрушение (ручьистый излом).

Рисунок 5 – Температурные зависимости ударной вязкости (а) и доли вязкой составляющей в изломе (б)

Источник

Как определить порог хладноломкости стали

Порог хладноломкости

Как уже отмечалось ранее, железо, сталь и металлы, и сплавы в ос­новном с ОЦК решеткой могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. Зная порог хладноломкости и рабо­чую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей темпера­турой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т. д. порог хладно­ломкости может повыситься, это приведет к хрупкому разруше­нию.

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур.

Затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания (так называемую сериальную кривую) (рис. 41).

В — количество волокна в изломе; t_B — верхний порог хладноломкости; t_H — нижний порог хладноломкости (при более низ­кой температуре полностью хрупкое разру­шение); t₅₀ — условный порог хладнолом­кости (50 % волокна в изломе); 1 — вяз­кий излом; 2— вмешанный взлом; 3 — хрупкий излом

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при удар­ном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порог хладноломкости нередко определяют по количеству во­локна (В, %) матовой — волокнистой составляющей в изломе.

Количество волокна в изломе определяется как отношение пло­щади волокнистого (вязкого) излома к первоначальному расчет­ному сечению образца. Далее строится сериальная кривая — про­цент волокна — температура испытания (рис. 33).

За порог хладно­ломкости принимается температура, при которой имеется 50 % волокна t₅₀(рис. 41), что примерно соответствует КСТ/2. Для ответственных деталей за критическую температуру хруп­кости нередко принимают температуру, при которой в изломе имеется 90 % волокна (t₉₀), а ударная вязкость сохраняет высокое значение. Нередко определяют верхний t_B порог хладноломкости, который отвечает 90 % волокна и нижний t_H, отвечающий 10 % волокна. Порог хладноломкости (t_B, t_H, t₅₀, t₉₀) не является по­стоянной материала, а сильно зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов напряжений, размера об­разца и т. д. Чем выше прочность (s_в, s_0,2), чем выше порог хлад­ноломкости.

В случае определения надежности машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая ре­комендация не применять материал при температурах ниже по­рога хладноломкости. Нужно учитывать, что с понижением тем­пературы снижается и величина K_1С.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Порог хладноломкости

Как уже отмечалось ранее, железо, сталь и металлы, и сплавы в основном с ОЦК решеткой могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т. д. порог хладноломкости может повыситься, это приведет к хрупкому разрушению.

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур. Затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания.

Для многих сталей на кривой зависимости KCU — t трудно определить порог хладноломкости.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порог хладноломкости нередко определяют по количеству волокна (В, %) матовой — волокнистой составляющей в изломе. Количество волокна в изломе определяется как отношение площади волокнистого (вязкого) излома к первоначальному расчетному сечению образца. Далее строится сериальная кривая процент волокна — температура испытания. За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50 % волокна t₅₀, что примерно соответствует КСТ/2. Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости нередко принимают температуру, при которой в изломе имеется 90 % волокна (t₉₀), а ударная вязкость сохраняет высокое значение. Нередко определяют верхний t_B порог хладноломкости, который отвечает 90 % волокна, и нижний отвечающий 10 % волокна. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а сильно зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов напряжений, размера образца и т. д. Чем выше прочность, тем выше порог хладноломкости.

В случае определения надежности машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая рекомендация не применять материал при температурах ниже порога хладноломкости. Нужно учитывать, что с понижением температуры снижается и величина К1с.

Проектирование и расчет автомобиля

Что такое хладноломкость?

Все большее число машин в настоящее время работает при низких температурах, в связи с чем важное значение приобретает оценка работоспособности деталей при этих температурах. При переходе от высоких температур к пониженным изменяется механизм разрушения у многих металлов (в первую очередь имеющих объемно – центрированную кубическую или гексагональную решетку): вязкое разрушение переходит в хрупкое.

Температурный интервал этого изменения называют порогом хладноломкости.

Экспериментально вязкое разрушение характеризуется волокнистым (ямочным) изломом и определенной работой распространения трещин, а хрупкое – кристаллическим (ручьистым) изломом при очень малом (практически нулевом значении) этой работы. В связи с этим количественный порог хладоломкости оценивается температурным интервалом, в котором доля волокнистого излома (В, %) уменьшается от 100 % до 0 % или работа распространения трещин (а_р) снижается от некоторого значения также до 0. Построенные таким образом кривые называются сериальными, поскольку для их получения требуется проведение нескольких серий испытаний при разных температурах.

Что такое порог хладноломкости?

Порог хладноломкости характеризуется из анализа сериальных кривых двумя значениями температур: Т_В (выше этого значения – излом полностью вязкий) и Т_Н (ниже этого значения – излом полностью хрупкий). Порог хладноломкости можно также характеризовать одной цифрой (значением температуры полухрупкости), указывая середину порога Т₅₀ (т.е. температуру, при которой имеет место 50 % волокнистого излома или уменьшение вдвое величины а_р).

Зависимость работы удара и ударной вязкости от температуры (сериальные кривые), иллюстрирующие влияние на хладоемкость содержания углерода, кислорода и азота или фосфора и серы, показывают резкое падение пластических свойств с уменьшением температуры [45]. Такого типа зависимости могут быть получены в результате достаточно трудоемких и многообразцовых испытаний, причем их сложность еще более усиливается при применении поверхностной упрочняющей технологии.

При проведении испытаний образцы охлаждались в камере с жидким азотом до температуры минус 60 °С и затем устанавливались на стол твердопластомера. Измерение твердости и пластичности производилась по мере естественного нагрева.

Использование для оценки хладноломкости неразрушающего метода определения пластичности по двум параметрам конического отпечатка позволяет резко сократить объем испытаний, а также получить информацию об изменении (под влиянием температуры) свойств поверхностных упрочненных слоев. В [45] приведены найденные таким образом значения d_B и НRC_Э для наплавленных слоев, полученных при использовании самозащитных порошковых проволок ПП-АН125, ПП-АН122, ПП-АН130, ПП-АН106, представляющих по классификации МИС четыре различные группы наплавочных материалов. Образцы наплавлялись этими материалами обычным способом, а также подвергались наплавке с термической обработкой, которая заключалась в деформировании материала в процессе наплавки.

Результаты этих исследований, в частности, показали, что в диапазоне температур 0 – минус 60 °С у всех изучаемых материалов происходит снижение пластичности, однако у материалов после термомеханической обработки снижение пластичности при всех температурах меньше, чем у наплавленного металла, не подвергнутого термомеханической обработке. Твердость исследуемых материалов в данном интервале температур изменяется незначительно. Таким образом, неразрушающий метод определения пластичности может быть полезным при оперативной оценке хладоломкости материалов.

Определение порога хладоломкости.

Как уже отмечалось ранее, железо, сталь и металлы, и сплавы в основном с ОЦК решеткой могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т, д. порог хладноломкости может повыситься, это приведет к хрупкому разруше­нию.

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур. Затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания (так называемую сериальную кривую по Н. Н. Давиденкову)/

Для многих сталей на кривой зависимости KCU — t трудно определить порог хладноломкости.

В случае определения надежности машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая рекомендация не применять материал при температурах ниже порога хладноломкости. Нужно учитывать, что с понижением температуры снижается и величина К_1с.

В— количество волокна в изломе; t_в— верхние порог хладноломкости; (t_H—

нижний порог хладноломкости (при более низкой температуре полностью хрупкое разрушение); t₅₀— условный порог хладноломкости (50 % волокна в изломе); 1 — вязкий излом; 2 — смешанный; 3 — хрупкий излом.

Источник