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 σ 0,2, предел прочности σ в, истинное разрушающее напряжение σ p, 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 σ 0,2 и σ в. 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 σ в, σ 0,2 и δ5 различных металлов показано на рис. 5.2. Наиболее сильные изменения σ в и σ 0,2 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 Т кр2 (рис. 5.4), при которой среднее разрушающее напряжение образца или конкретной детали σср.р становится равным пределу текучести металла при этой температуре. Величина Т кр2 может быть различной в зависимости от коэффициента концентрации напряжений в детали, характера приложения нагрузок, среды, наличия собственных напряжений. В некоторых случаях Т кр2 > Т кр1 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