Влияние обработки, анизотропии

Вязкость и пластичность материалов, используемых в инженерной практике, в значительной мере зависят от характера обработки. Тот или иной сплав не имеет определенной вязкости разрушения, для него характерен целый ряд значений этого параметра, соответствующих различным видам обработки, результатом которой являются небольшие изменения в микроструктуре. На величину вязкости разрушения может оказывать влияние каждый этап обработки. В их число может входить даже процесс плавления: легированные сплавы, выплавленные в вакууме, обладают большей вязкостью разрушения, чем стали, выплавленные на воздухе (см. [33]).

Одной из переменных структуры, зависящих от характера обработки, является размер кристаллического зерна. Прочность железа или мягкой стали зависит от размера зерна; кроме того, существуют экспериментальные подтверждения того, что на прочность этих материалов аналогичным образом влияют размеры кристаллических зерен в мартенситностареющих сталях. Теоретические разработки Холла и Петча показывают, что механические свойства стали обратно пропорциональны корню квадратному из размера кристаллического зерна, что подтверждается испытаниями. Используя это соотношение, Инша и Тетельман [34] вывели уравнение, дающее зависимость вязкости разрушения от размера зерна. Это уравнение хорошо согласуется с некоторыми данными (рис. 11.12.)

Изменение размера кристаллического зерна существенно именно во время обработки сталей. Следует отметить, что если размер кристаллического зерна изменяется за счет содержания примесей, то соответствующее изменение свойств будет иным, нежели в случае, когда размер кристаллического зерна изменяется за счет изменения времени и температуры рекристаллизации. В настоящее время имеется лишь небольшая количественная информация, позволяющая решить вопрос о том, насколько сильно зависит остаточная прочность конструкции с трещиной от размера зерна.

Рис. 11.12. Влияние размера зерна на величину вязкости разрушения [34].
Сталь с низким содержанием углерода и марганца ( - 196° С)

Вообще говоря, этапы обработки, вызывающие изменения предела текучести и других пластических свойств материала, будут также влиять на вязкость разрушения материала в результате непосредственной связи, существующей между этими свойствами. Влияние обработки металла на величину его вязкости разрушения может причинять особенно много беспокойств в случае, когда она приводит к структурной неоднородности, возникающей из-за неизбежных вариаций процесса обработки в различных точках материала. В областях со сложной геометрией, несмотря на многочисленные меры предосторожности, скорости охлаждения могут значительно меняться от точки к точке. Типичным примером неоднородного температурного процесса является процесс нагрева и охлаждения сварочного шва. Сегрегация литья сохраняется и при дальнейшей обработке, в результате которой, а также в результате охлаждения могут возникнуть местные структурные изменения. Специальная структурная неоднородность может возникнуть в поковках, в которых направление течения зерен и их размер могут значительно меняться от точки к точке. Поскольку главной здесь является задача учета анизотропных свойств материала, она и будет рассмотрена в первую очередь.

Деформация материалов порождает анизотропию. По отношению к вязкости разрушения механическая анизотропия существует во всех рабочих изделиях, поковках, а также в прокате. Деформирование в горячем или холодном состоянии может привести к выстраиванию кристаллографических осей кристаллических зерен в определенном направлении или в определенном порядке. Оно может также явиться причиной образования волокон: верениц продолговатых кристаллических зерен, или групп продолговатых включений, или частиц второго рода. Наконец, обработка может вызвать образование внутренних напряжений.

Анизотропия, возникшая за счет определенной кристаллографической текстуры, особенно важна для хрупкого разрушения, так как скол образуется на наиболее выгодных кристаллографических плоскостях. Если плоскости скола соседних кристаллических зерен ориентировать, то при этом сопротивление сколу может уменьшиться. В материалах с ограниченными возможностями для скольжения большое значение может также иметь образование текстуры. Поэтому роль текстуры наиболее очевидна в материалах с плотно упакованной гексагональной кристаллической решеткой, таких, как a-титан, бериллий и цинк. Эти материалы обладают хрупкими свойствами и ограниченными возможностями для скольжения.

Образование волокон важно для материалов всех видов. Этот процесс является основной причиной различий в прочности, пластичности и вязкости разрушения, определяемых в образцах, ориентированных вдоль и поперек направления течения металла при его обработке. На рис. 11.13 отображены различные возможности распространения трещины в болванке, полученной прокаткой. Образцы, ориентированные в коротком поперечном направлении (рост трещины в направлении L или Т), обладают особенно низкой вязкостью разрушения. (Отметим, что короткое поперечное направление в разных точках поковки различно.)

Изменение вязкости разрушения для различных направлений распространения трещины может быть очень большим. Для легированной стали с 18%-ным содержанием никеля вязкость разрушения продольных образцов (образец 3 на рис. 11.13), как было показано в [33], вдвое превышает вязкость разрушения образцов, ориентированных в коротком поперечном направлении (образец 5). Для алюминиево-цинко-магнезиевого сплава значения вязкости разрушения, как было отмечено в работе [35], для продольного, поперечного и короткого поперечного направления равны соответственно 126, 67 и 53 кгс/мм3/2.

Рис. 11.13. Направления роста трещины в пластине, полученной прокаткой

На рис. 11.14, а, б показано течение кристаллических зерен и оковке в окрестности плоскости раздела штампа. На рисунке вид но, что короткое поперечное направление в данном месте параллельно направлению приложения напряжения. Как следует из рисунка то направление особенно благоприятно для распространения трещин. Плоскость разрушения, параллельная направлению течения (рис. 11.14, б), является плоскостью наименьшего сопротивления росту трещин. Зависимость KIc от направления важна для величины остаточной прочности в случае образования полуэллиптических поверхностных раковин и четверть эллиптических угловых трещин в прокате. Эта зависимость является одной из причин того, что образцы с эллиптическими трещинами не имеют постоянных значений KIc. В случае эллиптической раковины наибольшая интенсивность напряжений возникает на конце малой оси (см гл. III) т.е. в точке наибольшего удаления фронта трещины от поверхности образца (см. рис. 11.13). Обычно полагают, что разрушение произойдет тогда, когда максимальная интенсивность напряжений превысит величину вязкости разрушения KIc. Даже в случае одинаковой по направлениям величины KIc рост трещины происходил бы не только на конце малой оси. Одновременно трещина росла бы и в других местах. На самом деле в других местах величина К ниже чем KIc, поэтому, пока на определенном участке фронта трещины выполняется условие K< KIc, рост трещины будет ограничен.

Рис. 11.14. Влияние анизотропии на процесс разрушения сколом в поковке из алюминиевого сплава.
Трещина зарождается в плоскости раздела штампа и распространяется вдоль волокон, образующих структуру материала.
В местах, указанных стрелками, имеются дефекты (по данным Ван Ливена)

Эффект, описанный в предыдущем параграфе, будет усилен анизотропией по вязкости разрушения. Рост трещины на конце малой оси должен происходить в направлении наименьшей вязкости разрушения, так как при этом обеспечивается не только максимум интенсивности напряжений в данном месте, но и минимум вязкости разрушения в данном направлении распространения трещины. Разрушение произойдет тогда, когда интенсивность напряжений в конце малой оси достигнет значения, лежащего где-то в пределах от KIc в направлении толщины до KIc в направлении ширины. В случае раковины с малым эксцентриситетом трещина будет преимущественно распространяться в направлении толщины, а изменения К. вдоль этой части фронта трещины будут сравнительно небольшими. В этом случае максимальная интенсивность напряжений при разрушении будет близка к величине KIc в направлении толщины. Следовательно, интенсивность напряжений при разрушении будет зависеть от формы раковины, а значения вязкости, полученные в испытаниях образцов с поверхностными раковинами, будут также зависеть от ее формы.

Возникает вопрос: действительно ли возможно использование стандартных значении KIc, для вычисления остаточной прочности в случае образования поверхностных раковин и трещин с иной геометрией? На рис. 11.15 представлены результаты, полученные при испытании (см. [36]) образцов с поверхностными трещинами. В результате анализа этих данных, проведенного в работах Рэнделла [37] а также Смита и др. [38], были получены сходные результаты. Сплошная линия на рис. 11.15 представляет собой расчетные значения остаточной прочности для различных величин отношения a/Q, полученных при значении KIc = 104 кгс/мм3/2, определенном в стандартном испытании. Пунктирные линии получены для двух других значений KIc. На рисунке также представлены действительные данные испытаний образцов с поверхностными раковинами и указано, удовлетворяют ли они выборочному критерию. Оказывается, точки, полученные при испытании на остаточную прочность образцов с поверхностной раковиной, ложатся на четыре различные кривые. Эти кривые пересекают три линии, соответствующие постоянным значениям KIc. Это означает, что образцы с поверхностной раковиной, даже если все они одинаковой толщины, не имеют постоянного значения KIc, поскольку кривые, соответствующие постоянному значению KIc, не пересекаются (рис. 11.15). Таким образом, показано, что величина KIc в образце с поверхностной раковиной зависит от формы этой раковины. Для трещины этого типа KIc не является универсальным параметром остаточной прочности. Следует отметить, что пример, приведенный на рис. 11.15, не совсем корректен в силу необходимости учитывать фронт трещины, проходящей по свободной поверхности образца. Однако учет этого фронта привел бы только к усилению рассматриваемого эффекта.

Рис. 11.15. Результаты испытаний образцов с поверхностными раковинами [36];
пластина сделана из сплава 7075-Т6. Светлые условные обозначения
относятся к ошибочным данным испытаний, а залитые — к истинным данным.
Критерий истинности В>2,5K2Ic2ys

Тем не менее, значения прочности образцов с поверхностной раковиной не слишком сильно отличаются от стандартного значения KIc. Поэтому для инженерных целей расчет, основанным на стандартных значениях KIc, будет удовлетворительным, особенно ввиду следующих обстоятельств:

  1. параметр, описывающий форму раковины, для определенной толщины обычно меняется в небольших пределах (рис. 11.15);
  2. при определении стандартных значений KIc получается разброс данных;
  3. геометрия раковины обычно определяется с небольшой точностью.


 Предыдущая  § 11.4. Влияние обработки, анизотропии  Следующая 
 
FEA.RU - Расчеты прочности, CAD/FEA/CFD/CAE Технологии, КЭ механика
Яндекс цитирования
Наш сайт работает на Sapid CMS