Изменение свойств металлов при понижении температуры

Об изменении свойств металлов при понижении температуры обычно судят, ориентируясь на их свойства при комнатных температурах (18—20°С). Следует различать поведение металлов, установленное на гладких образцах и при статическом нагружений (предел текучести σ0,2, предел прочности σв, истинное разрушающее напряжение σp, относительное удлинение б, поперечное сужение ψ), и поведение металлов при испытании образцов с надрезами при статическом или ударном нагружений. У подавляющего большинства металлов при понижении температуры предел прочности, предел текучести, твердость увеличиваются, и, казалось бы, эти изменения свойств могут быть использованы для назначения более высоких допускаемых напряжений, и облегчения конструкций. Однако это удается сделать редко. Во-первых, многие конструкции эксплуатируются как при низких, так и при повышенных температурах, что заставляет ориентироваться на более низкие значения σ0,2 и σв. Во-вторых, почти во всех деталях и конструкциях имеется концентрация напряжений,а при понижении температуры чувствительность многих металлов к надрезам резко возрастает. На первый план выступает сопротивляемость хрупким разрушениям. Лишь в отдельных случаях, когда максимальные рабочие нагрузки действуют только при низких температурах, а металл при этом нечувствителен к концентрации напряжений, удается повышать допускаемые напряжения. Такие примеры известны в криогенной технике.

Характер изменения свойств металлов при понижении температуры зависит от многих факторов — вида кристаллической решетки,

химического состава, величины зерна, термической обработки — и проявляется по-разному в зависимости от условий нагружения и напряженного состояния. Модуль упругости слабо повышается (рис. 5.1). Изменение σв, σ0,2 и δ5 различных металлов показано на рис. 5.2. Наиболее сильные изменения σв и σ0,2 характерны для коррозионностойких сталей и титановых сплавов (рис. 5.2, а, б).

У металлов и сплавов с гранецентрированной кубической решеткой (γ-Fе, А1, Сu) с понижением температуры предел текучестипо сравнению с пределом прочности повышается незначительно — они относятся к хладостойким. Пластичность и ударная вязкостьу них почти не меняются. У металлов и сплавов с объемноцентрированной кубической решеткой (α-Fе, Сr) предел текучести повышается значительно сильнее,чем предел прочности, пластичность заметно понижается — они относятся к хладноломким . Изменение предела текучести у сталей зависит от его уровня при комнатных температурах. Чемниже предел текучести при20 °С, тем сильнее он изменяется при понижении температуры (рис. 5.3).

Отметим еще ряд особенностей в изменении свойствметаллов при понижении температуры.

1. Пластичность обычноуменьшается. Более резко —у конструкционных углеродистых и низколегированныхсталей. Слабее — у другихметаллов. В некоторых случаях происходит увеличениепластичности (у ряда алюминиевых и медных сплавов).

2. Сопротивление усталости при переменных нагрузках в большинстве случаеввозрастает.

3. Чувствительность кконцентрации напряженийпри острых надрезах возрастает, а ударная вязкость(работа разрушения) уменьшается наиболее заметно у железа, углеродистых и низколегированных сталей невысокой прочности, которые имеют резковыраженную область температур перехода от вязкого к хрупкомуразрушению.

Понятие хрупкого разрушения в первую очередьследует связывать с энергоемкостью распространения разрушения, т.е. с глубиной зоны пластических деформаций, возникающей при прохождении трещины, и значением пластической деформации у поверхности разрушения. При

значительной пластической деформации, возникающей как на поверхности, так и в глубине, поверхность разрушения волокнистая. При отсутствии пластической деформации или крайне маломее значении поверхность излома кристаллическая.

К вязким разрушениям относят такие, поверхность которыхимеет полностью волокнистый излом. К хрупким разрушениям относят разрушения с кристаллической поверхностью излома.Промежуточное положение занимают полухрупкие разрушения, у которых часть поверхности имеет кристаллический, а частьповерхности — волокнистый излом. Понижение температуры,увеличение скорости нагруження, увеличение концентрациинапряжений способствуют переходу от вязких форм разрушения к хрупким.

Высокая работоспособностьмногих деталей машин, сварных соединений и элементовсварных конструкций при пониженных температурах решающим образом зависит от их способности сопротивляться хрупким разрушениям. Следует, однако, отметить, что для многихматериалов даже комнатные температуры могут быть областьюих хрупкого поведения и лишь при повышенных температурахразрушения становятся вязкими.

Рассмотрим основные методы оценки свойств металлов при изменении температуры в связи с возможным их охрупчиванием. Наиболее распространенным и простым методом оценки изменениясвойств является испытание на ударную вязкость. При этом испытании выявляется как абсолютный уровень ударной работы разрушения αн, который довольно сильно зависит от типа и остротынадреза, так и характер разрушения — вязкий или хрупкий(рис. 5.4). Чем острее надрез, крупнее зерно, больше размеры образца и выше скорость нагружения, тем правее и ниже располагаетсякривая αн. Так же смещается и кривая В. Принято определять такназываемую первую критическую температуру Ткр1, при которойплощадь волокнистого излома составляет 50 %.

Для деталей, в которых возможно присутствие трещин или других трещиноподобных дефектов, проводят сериальные испытания *

* Сериальные испытания предусматривают определение свойств металлаили сварных соединений в некотором интервале изменения какого-либо параметра с достаточно мелким шагом его изменения; сериальные температурные испытания проводят обычно с шагом ΔТ = 5 ÷ 15 °С, чтобы получить плавную кривую изменения исследуемой характеристики.

образцов металла для определения К1с (Кс), G1c (Gc) или δc. Характер изменения кривых К1с, G1с, δc сходен с кривой αн на рис. 5.4. По расположению экспериментальных точек судят о безопасных уровнях напряжений и области температур эксплуатации.

Для конкретных деталей или узлов может быть путем испытаний определена так называемая вторая критическая температура Ткр2 (рис. 5.4), при которой среднее разрушающее напряжение образца или конкретной детали σср.р становится равным пределу текучести металла при этой температуре. Величина Ткр2 может быть различной в зависимости от коэффициента концентрации напряжений в детали, характера приложения нагрузок, среды, наличия собственных напряжений. В некоторых случаях Ткр2> Ткр1 например, при расположении концентраторов напряжений в зонах пониженной вязкости металла (в местах закалки при сварке, деформационного старения металла, плохой защиты). Разрушение σср.р ≤ σт может произойти в пределах хрупкой зоны при температуре, при которой трещина в основном металле может распространяться дальше, только как вязкая.

В связи с возможностью распространения трещин в металле на значительные расстояния, что важно для таких конструкций, как трубопроводы, корпуса кораблей, определяют также удельную работу динамического (быстрого) распространения трещины Gс.д в листовом металле. Обычно для этих целей используют крупные образцы, позволяющие, во-первых, образоваться у острия трещины такому размеру зоны пластических деформаций, который характерен для реальной конструкции, и, во-вторых, подвести значительную энергию к концу трещины, чтобы имитировать условия разрушения конструкции с большой накопленной потенциальной энергией. Характер кривой Gс.д при этом сходен с αн на рис. 5.4, но кривая Gс.д располагается заметно правее. При этих испытаниях одновременно можно получить результаты для построения кривой В.

Существуют специальные методы для определения температур торможения движущихся трещин (при более низких температурах в ответственных конструкциях металл применять нельзя). В частности, метод Робертсона предусматривает испытание листовых образцов (рис. 5.5, а) относительно большой ширины (несколько сотен миллиметров) с натуральной толщиной металла 5. Перед разрушением образец с одной стороны подогревается, а с другой — охлаждается. Различные образцы испытывают при различных напряжениях. К образцу вначале прикладывают растягивающее напряжение а, а затем наносят удар для создания движущейся трещины. В некоторой зоне с известной температурой трещина останавливается. Простейшая обработка результатов испытания состоит в построении диаграмм, показанных на рис. 5.5, б. Точки соответствуют температуре остановки трещины. Ломаные линии делят область графика на две зоны. В левой верхней части рисунка находится область температур и уровней напряжений, где трещина распространяется. При более низких напряжениях или более

высоких температурах трещина останавливается. Естественно, что эти результаты справедливы лишь для элементов конструкций, близких по размерам и энергоемкости к испытываемым образцам. При значительной накопленной энергии трещины могут распространяться и в области более высоких температур. Так как фронт трещины не является прямолинейным (рис. 5.5, в), то имеется некоторая неопределенность в определении температуры остановки

трещины. Поэтому применяют другую обработку результатов. Имеется участок совершенно хрупкого излома (косая штриховка), затем появляются зоны сдвига (прямая штриховка), которые увеличивают свою ширину по мере перехода в область более высоких температур. При температуре выше Тs хрупкие участки исчезают полностью. В средней по толщине части листа трещина проходит до точки Ттр. Оценку можно производить по температуре Т0,5 (при ширине зоны сдвига 0,5 мм) и по температуре Тs (точки окончания зоны хрупкого излома).

Дата добавления: 2015-07-08