Хрупко-вязкий переход

С развитием прогресса человечество стало всё чаще встречаться с работой при низких и криогенных температурах от 0 до -269 °С. Мосты, трубопроводы, различные другие сооружения, работающие в условиях севера, обшивка самолетов, детали космических аппаратов, криогенная техника ко всем ним и многому другому предъявляется требование сохранять свои свойства при низких температурах. 
 

В действительности полностью хрупкое или вязкое разрушение встречается редко; обычно оно носит смешанный характер. Для упрощения мы будем оперировать терминами «хрупкий» и «вязкий», указывая на преобладающий тип разрушения.

Главным фактором, запускающим хрупко-вязкий переход, является снижение температуры. Однако на этот процесс также влияют скорость приложения нагрузки, качество обработки поверхности материала, наличие примесей и другие параметры. Это явление наиболее характерно для металлов и сплавов с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой, к которым относятся многие конструкционные стали.

Примеры температурного интервала работы некоторых материалов приведены в таблице ниже: 
 

Как это выглядит на практике 
 

Как мы отмечали ранее, температура играет ключевую роль в процессе разрушения материала, определяя его характер: с её повышением материал становится более пластичным, а с понижением — склонным к хрупкому разрушению.

Определение значений ударной вязкости (в предыдущей статье мы рассмотрели это понятие подробнее) и определение вязкой доли излома по методу хрупкого квадрата. 
 

Необходимое оборудование

   •   Маятниковый копер для проведения испытаний на ударную вязкость, например ЭВО-К300А;

   •   Криостат для охлаждения образцов перед испытаниями, например ЭВО-ХК196;

   •   Протяжной станок для нанесения концентраторов напряжений, например ЭВО-ПС2;

   •   Проектор Шарпи для подтверждения точности нанесения концентраторов напряжений ЭВО-ОП1;

   •   Штангенциркуль. 
 

Суть обоих методов заключается в проведении серии испытаний с постепенным понижением температуры, однако, различаются они по способу определения температуры порога хладноломкости.

В первом случае, определение ударной вязкости, строят график зависимости ударной вязкости от температуры, после чего приступают к анализу полученной кривой. Если выявляется четкая зависимость ударной вязкости от температуры, то за температуру порога хладноломкости могут принимать значение, когда достигается одно из следующих условий: 
 

   •   Ударная вязкость снижается до определенного значения, например 25 Дж/см2;

   •   Ударная вязкость достигает уровня в 50% от верхнего полого участка.

Однако не всегда выявляется чёткая зависимость ударной вязкости от температуры, и в определенном диапазоне температур наблюдается сильный разброс значений ударной вязкости, как на графике ниже.

В таком случае за температуру порога хладноломкости могут принимать:

   •   Температуру, при которой ударная вязкость снижается до определенного значения, например 25 Дж/см2;
   •   Температуру верхнего порога хладноломкости Тв;
   •   Температуру нижнего порога хладноломкости Тн;
   •   Среднюю температуру между верхним и нижним порогом хладноломкости, что является физически более корректным.  
 

Определение вязкой доли излома по методу хрупкого квадрата – это анализ излома образца и определение %В – доли вязкой составляющей на его поверхности. Блестящие, относительно ровные участки – места хрупкого разрушения, а матовые, рельефные – места вязкого разрушения. 
 

 
Где, S – площадь поперечного сечения образца; a и b – размеры области хрупкого излома.

Температура, при которой доля хрупкой и вязкой составляющих становятся равны друг другу, считается порогом хладноломкости.

Как уменьшить температуру порога хладноломкости? 
 

Повышение хладостойкости материала — это целенаправленная инженерная задача, которая решается двумя основными путями: воздействием на его внутреннюю структуру и оптимизацией химического состава.

   1.  Воздействие на структуру, уже имеющегося материала.
Механизм разрушения при низких температурах часто инициируется на границах зерен. Чем мельче зерно, тем больше суммарная площадь границ. Это создает больше препятствий для распространения трещины и вынуждает её менять траекторию, что требует большей энергии.

   2.  Работа с химическим составом материала.
Во втором случае уменьшение количества примесей или добавление определенных легирующих элементов, позитивно сказывается на ударной вязкости и хладостойкости материала. Наиболее эффективным для повышения ударной вязкости и улучшения хладостойкости сталей является увеличение содержания никеля и уменьшение содержания углерода.