Что такое порог хладноломкости металла
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 (ар) 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: ТВ (выше этого значения – излом полностью вязкий) и ТН (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 ар).
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 dB и НRCЭ 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 ударной вязкости и порога хладноломкости
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с особенностями вязкого и хрупкого разрушения металлов, характеристиками изломов и показателями сопротивления металлов разрушению; изучить методику испытания на ударный изгиб и определения порога 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 Тхр (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 Тхр составляет сотни градусов Цельсия выше нуля, для никелевых – близко к абсолютному нулю. Собственно порог хладноломкости характеризуют иногда двумя температурами: Тв – верхняя граница порога, выше которого излом полностью вязкий (не менее 90% волокна в изломе) и Тн – 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 Тп.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  |
| Рисунок 4 – Типы образцов для динамических испытаний металлов на удар: а – образец с U – образным надрезом; б – образец с V – образным надрезом; в – образец с Т – образным надрезом. |
Значения Кп и Кост 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 Тпх считают температуру наиболее резкого падения ударной вязкости (изменение знака производной кривой КС – Т). Обычно эта температура лежит между Тв и Тн – 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 Тпх 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)
О хладноломкости литых сталей и сплавов
Кривцов Ю. С., академик, Международная академия холода, Санкт-Петербург
Горобченко С. Л., к.т.н. Санкт-Петербург
Гуляев Б. Б. д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, Санкт-Петербург
Выбор составов сталей для криогенной арматуры представляет серьёзную проблему, поскольку испытания при криогенных температурах сложны, а количество характеристик материалов, которые надо изучить весьма значительно. Тем не менее, могут быть предложены простые системные подходы на основе понимания связи хладноломкости с фундаментальными изменениями состояния материалов при снижении температуры. Такой подход значительно облегчит понимание процессов выбора основ сплавов и их легирования.
В статье предлагается подход к анализу явления хладноломкости на основе её связи с периодической системой Менделеева и электронным строением металлов. Выделение этой связи по результатам анализа химсостава стали позволит упростить выбор легирующих, предложить оптимальные ряды легирующих элементов, предсказать наиболее вероятный механизм разрушения литых сталей при криогенных температурах или назначить ограничения по наличию тех или иных примесей в химсоставах сталей для поставщиков литья криогенной арматуры.
Чтобы выбрать наиболее рациональную систему легирования необходимо провести анализ взаимосвязи свойств с положением предполагаемого легирующего элемента в периодической системе Менделеева. Собственные свойства легирующего элемента в чистом виде, без примесей, как правило, должны в полной мере отвечать требованиям к сплаву в целом.
В случае если хладноломкость, как свойство, укладывается в основные закономерности, связанные с положением порядкового номера в периодической системе Менделеева, можно предположить, что и двух и многокомпонентные сплавы будут также соответствовать положениям физико-химического анализа.
СВЯЗЬ ХЛАДНОЛОМКОСТИ МЕТАЛЛОВ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА
Считается, что связь пластических свойств с металлической связью известна ещё со времен Ломоносова. Однако в то время были известны только 6 основных металлов – золото, серебро, медь, олово, железо и свинец и на основании этих данных не могли быть установлены не только количественные, но даже и качественные соотношения свойств в зависимости от наличия металлической связи. Также часто считается, что все равновесные свойства чистых элементов, в конечном счёте, определяются номером в периодической системе Менделеева и что зависимость температуры хрупко-пластичного перехода от атомного номера является очевидным фактом.
В статье Б. Б. Гуляева «Изучение тепловых процессов в отливках и термодинамические свойства металлов в связи с их положением в периодической системе Менделеева (в кн.: «Тепловые процессы в отливках и формах», М., изд. Наука, 1972, стр. 7-14) проанализированы формы зависимости около 50 свойств элементов от их положения в периодической системе. Оказалось, что 27 из них связаны с периодической системой Менделеева чёткими периодическими связями разного характера. Для 12 свойств связь с положением элементов в системе не является регулярной и в ряде случаев очень сложна. Для 7 свойств периодические связи не имеют места.
В число анализируемых свойств температура хрупко-пластичного перехода элементов не входила, и в то время об этом явлении мало что было известно. В настоящее время это свойство интенсивно изучается. Установление его связи с периодической системой открывает возможности обоснованного выбора системы легирования с целью повышения хладостойкости технических сплавов.
В настоящее время нет единого подхода к объяснению возникновения хладноломкости металлов при снижении температуры. Одни авторы связывают хладноломкость с повышенным содержанием примесей в металле (1), другие указывают на потерю подвижности дислокаций при пониженных температурах, следствием чего является создание локальных напряжений и образование расслоений в кристалле по определённым плоскостям (2).
Хладноломкость при этом рассматривается как взаимодействие дислокаций с трещиной, зависящей от температуры, а также как зависимость критического напряжения сдвига от температуры. Однако, основываясь только на теории дислокаций, трудно определить параметры пластического течения металла. Эта теория даёт только качественный ответ на вопросы определения температурной подвижности дислокаций в кристалле. С помощью теории дислокаций невозможно смоделировать межатомное взаимодействие в металлах, позволившее бы более точно описать физическую картину охрупчивания металла с понижением температуры.
Более плодотворными оказываются представления, основанные на анализе строения и взаимодействия электронных орбиталей в конкретных металлических атомах и учёте особенностей образования металлической связи в твёрдом состоянии в однокомпонентных системах и твёрдых растворах (3). При этом большая разрозненность экспериментальных данных, множественность влияния других факторов не всегда позволяет найти зависимость хладноломкости от порядкового номера элемента.
Был предпринят анализ зависимости температуры перехода к хрупкости для различных металлов. Температура перехода к хрупкости металлов была определена как по литературным данным (1), так и по данным авторов (8). При анализе основным критерием перехода в хрупкое состояние служили прямые данные: резкое падение ударной вязкости в небольшом интервале температур; сериальные кривые; резкое падение пластичности; низкие значения коэффициента интенсивности напряжений.
Данные дополнялись косвенными и расчётными данными. В частности, соотношение роста предела текучести и временного сопротивления в хрупком состоянии должно приближаться к единице. Анализировалось изменение критического напряжения сдвига. Для металлов, не имеющих выраженного порога хладноломкости, за температуру перехода к хрупкости принималась такая температура, при которой пластичность становилась менее 15%.
Следует отметить, что у ряда металлов наблюдаются провалы пластичности в определённых температурных интервалах, не сопровождающихся значительным ростом прочности. При дальнейшем снижении температуры металлы восстанавливали свою пластичность, поэтому за температурный порог хладноломкости принималась такая температура, ниже которой повышения пластичности не наблюдалось.
Были введены и ограничения. Так, представлены значения Тхр для металлов технической чистоты, с содержанием примесей не более 0,02%, поскольку применение сверхчистых металлов, как правило, не имеет практического значения. Такой подход нельзя считать верным для всех металлов, поскольку растворимость примесей с понижением температуры изменяется для различных металлов неодинаково. В связи с этим ряд металлов (Ti и др.) имеют гораздо более высокую температуру перехода к хрупкости, чем, будучи очищены до высоких степеней чистоты (99,999 %, 99,9995 %).
Также затруднительным представляется определение температуры перехода к хрупкости из-за различного влияния элементов, входящих в примеси. Поэтому далее рассматриваются металлы, содержащие обычные примеси в пределах технической чистоты. Такой подход будет в большей степени представлять практический интерес, поскольку основан на технологически достижимых степенях чистоты металла от примесей. С ростом технологий очистки многие металлы, сейчас не используемые по этим критериям, также войдут в число основ сплавов, имеющих технически значимое применение.
Ниже показывается связь между явлением хладноломкости и порядковым номером элемента в периодической системе Менделеева. Для этой цели был построен график зависимости температуры перехода к хрупкости (Тхр) от порядкового номера элемента, рис. 1.
Рис. 1. Зависимость температуры перехода к хрупкости lnTхр от порядкового номера элемента
По горизонтали: номер группы в периодической таблице Д. И. Менделеева
На графике LnТхр=f (Nэл), рис. 1а по периоду прослеживаются три выраженные синусоидальные полуветви с различной амплитудой. Все рассмотренные элементы разделились на 4 большие группы по температуре перехода к хрупкости.
Первую группу составили элементы, имеющие низкую температуру перехода к хрупкости, меньше 0,1Тпл (о соотношении температуры перехода к хрупкости и температуры плавления будет сказано далее). Эту группу составили элементы, обладающие наиболее выраженными металлическими свойствами и с формой орбиталей типа s, рис. 2. Так, все щелочные металлы имели температуру перехода к хрупкости ниже 0,1Тпл.
Вторую группу составили элементы, имеющие температуру перехода к хрупкости не более 0,2Тпл. В эту группу вошли практически все металлы, у которых происходит достройка d и f уровней. Третью группу составили металлы, имеющие повышенную температуру перехода к хрупкости 0,2-0,4Тпл, большей частью которых оказались ковалентные кристаллы. Наконец, в четвёртую группу вошли элементы, имеющие переходные свойства от металлов к неметаллам, а также имеющие выраженные неметаллические свойства, что сразу значительно повышает их температуру перехода в хрупкое состояние (Тхр>0,45Тпл).
Данные для неметаллов разрознены, и определить с достаточной точностью температуру перехода к хрупкости затруднительно, однако, не представляет сомнения, что с переходом от металлов к неметаллам и увеличением доли ковалентной связи температура перехода к хрупкости повышается. Характер зависимости изменяется у благородных газов, что связано с чрезвычайно низкими температурами плавления ( > Тхр
б) кристаллическая решетка с ковалентной и металлической составляющей Т>Тхр
в) кристаллическая решетка с ионной или ковалентной связью Т Re) либо к увеличению доли вклада электронов в ковалентную связь (группа Ti>Zr>Hf). 1. Бобылев А. В., Механические и технологические свойства металлов, М., Металлургия, 1980 г., 296 стр.
2. Давиденков Н. Н., Чучман Т. Н., Обзор современных теорий хладноломкости. В сб.: «Исследования по жаропрочным сплавам». Т.II, М., 1957, 25 стр.
3. Косырева Е. С., Хрупкое разрушение металла при низких температурах. Конспект лекций по курсу «Металловедение», ИПИ, Иркутск. 1973, 28 стр.
4. Мезенцев А. И., Михайлов А. Ф., «К вопросу о хладноломкости металлов», МиТОМ, №5, 1973, с 46.
5. Самойлов В. А., «К вопросу о природе хладноломкости» в кн. Труды института металлургии и обогащения, АН КССР. Т. ХV, 1966, с. 3.
6. Пресняков А. А., Даутова Л. Н., «О природе хладноломкости металлов и сплавов» в сб. Труды института ядерной физики АН КССР, т.4, 1961, с. 48.
7. Банных О. А., Григорович В. К., Чуланов О. Б., «О роли легирующих элементов в стабилизации фаз в железе в связи с их электронным строением», металлы, №6, 1983, с. 83.
8. Гуляев Б. Б., Синтез сплавов, Л.: ЛГУ, 1984. 164 стр.
9. Горобченко С. Л., Гуляев Б. Б., Иерархия структур и свойства стали, Литейное производство, №2 1990.
10. Физическое металловедение под ред. Кана, т.3, с443, М, 1968.
11. Пресняков А. А., Хладноломкость. Алма-Ата, Наука, 1967, 199 стр.
12. Спроул Р. Современная физика, М., Наука, 1974.
13. Солнцев, Ю. П. Материаловедение: учебник для вузов по металлургическим, машиностроительным и общетехническим специальностям Издательство: Химиздат, 2007 г.
14. Горобченко С. Л., Кривцов Ю. С., Конкурентоспособность арматурного литья. Легирование. Журнал ТПА №4 (55) 2011.