Разрушение. Том 6. Разрушение металлов. 1976

Разрушение. Том 6. Разрушение металлов
Редактор: Гарольд Либовиц; Авторы: Норман С. Столофф, А.Т. Инглиш, У.А. Бакофен, А.С. Тетелман, А. Дж. Мк. Эвили, Фрэнсис У. Боулгер, Дж. X. Бьючер, Дж. Грозиер, Дж. Ф. Энриэтто, Р.И. Зинхем, Дж.X. Дедрик, Дж. X. Бечтолд, Б.Дж. Шоу, Р.Д. Энквист, Дж.В. Девиссон, В.X. Вэйгхан
Перевод с английского: Займовский В.А., Лаптев Д.В. под редакцией Бернштейна М.Л.
Металлургия. Москва. 1976
496 страниц
Fracture. An advanced treatise. Volume VI. Fracture of metals
Edited by Harold Liebowitz
School of Engineering and Applied Science / The George Washington University, Washington, D.C.
Academic Press, New York and London, 1969
Разрушение. Том 6. Разрушение металлов. 1976
Содержание: 

Рассмотрено влияние легирующих элементов на процессы разрушения, на механизм перехода к хрупкому разрушению. Описаны различные методы обработки металлов, приводящие к созданию мелкозернистой структуры, благоприятной текстуры и волокнистости, к получению развитой внутризеренной субструктуры, определяющей высокую вязкость разрушения. Обсуждаются и сопоставляются между собой различные методы определения вязкости разрушения, а также рассматривается влияние различных технологических факторов на вязкость сталей. Приведен фактический материал о прочности и вязкости разрушения широко применяемых горячекатаных сталей с пределом текучести 40 — 60 кгс/мм², алюминиевых сплавов и тугоплавких металлов, используемых в современной технике. Рассмотрены особенности разрушения при специфических внешних воздействиях — лазерного излучения и электрических разрядов. Книга представляет интерес для научных работников и инженеров, занятых в области производства и использования металлических сплавов различного назначения. Может быть использована при подготовке специалистов металлургов, металловедов и металлофизиков.

Предисловие редактора русского перевода
Предисловие

Глава 1. Влияние легирования на характеристики разрушения / Норман С. Столофф
I. Введение
II. Переход от вязкого разрушения к хрупкому
III. Твердые растворы; связь между пластическими свойствами и разрушением
IV. Разрушение сплавов — твердых растворов
V. Разрушение упорядоченных сплавов
VI. Разрушение дисперсионно твердеющих и дисперсно упрочненных сплавов
VII. Влияние размера зерна
VIII. Легирующие элементы и вязкость разрушения
IX. Рекомендуемые направления исследований
X. Заключение
Приложения и литература

Глава 2. Влияние технологии обработки металлов на их сопротивление разрушению / А.Т. Инглиш, У.А. Бакофен 
I. Введение
II. Обработка для измельчения структуры
III. Анизотропия разрушения, вызванная обработкой
IV. Обработка, регулирующая внутризеренную структуру
V. Рекомендуемые направления исследований
VI. Заключение
Приложения и литература

Глава 3. Разрушение высокопрочных материалов / А.С. Тетелман, А. Дж. Мк. Эвили
I. Введение
II. Влияние толщины листа на вязкость разрушения
III. Основы расчета высокопрочных материалов на надежность
IV. Микроскопические аспекты разрушения высокопрочных материалов
V. Усталость
VI. Влияние среды
VII. Рекомендуемые направления исследований
VIII. Заключение
Обозначения и литература

Глава 4. Оценка вязкости разрушения сталей / Фрэнсис У. Боулгер
I. Введение
II. Испытания конструкционных сталей на вязкость разрушения
III. Испытания на вязкость разрушения, основанные на механике разрушения
IV. Связь между различными методами испытания на вязкость разрушения
V. Связь между лабораторными и эксплуатационными испытаниями
VI. Влияние состава на вязкость разрушения
VII. Влияние режимов прокатки
VIII. Влияние термической обработки
IX. Влияние прочих факторов
X. Высокопрочные стали
XI. Рекомендуемые направления исследований
XII. Заключение
Обозначения и литература

Глава 5. Прочность и вязкость горячекатаных феррито-перлитных сталей / Дж. X. Бьючер, Дж. Грозиер, Дж. Ф. Энриэтто
I. Введение
II. Определения и терминология
III. Микроструктурные факторы, определяющие прочность и вязкость
IV. Применение техники анализа к условиям производства
V. Рекомендуемые направления исследований
VI. Заключение
Приложения, обозначения и литература

Глава 6. Разрушение алюминиевых сплавов / Р.И. Зинхем, Дж.X. Дедрик
I. Введение
II. Методы испытаний
III. Инженерные методы расчета алюминиевых конструкций па сопротивление разрушению
IV. Наблюдения микромеханизма разрушения
V. Металлургические аспекты
VI. Рекомендуемые направления исследований
VII. Заключение
Обозначения и литература

Глава 7. Разрушение тугоплавких металлов / Дж. X. Бечтолд, Б.Дж. Шоу
I. Введение
II. Разрушения при низких температурах (макроскопические исследования)
III. Атомный механизм низкотемпературного разрушения
IV. Высокотемпературное разрушение
V. Рекомендуемые направления исследований
VI. Заключение
Обозначения и литература

Глава 8. Влияние лазерного излучения на разрушение материалов / Р.Д. Энквист
I. Введение
II. Обсуждение
III. Рекомендуемые направления исследований
IV. Заключение
Обозначения и литература

Глава 9. Разрушение материалов, вызванное электрическими эффектами / Дж.В. Девиссон, В.X. Вэйгхан
I. Введение
II. Разрушение при искровом разряде
III. Разрушение при дуговом разряде
IV. Разрушение, связанное с электрическими полями
V. Разрушение пьезоэлектриков
VI. Рекомендуемые направления исследований
VII. Заключение
Обозначения и литература

Предметный указатель
Именной указатель

Предисловие редактора русского перевода

Вопросы надежности работы строительных конструкций, деталей машин и механизмов, изготовленных из металлических материалов, приобретают все большее значение. Это связано с усложнением условий эксплуатации агрегатов новой техники в связи с повышением рабочих напряжений, расширением температурного интервала реального использования металлов и сплавов, созданием изделий, конфигурация и габариты которых определяют возможность возникновения опасных концентраций напряжений.

Для оценки работоспособности металлических сплавов в условиях, приближающихся к эксплуатационным, в последние годы наряду с традиционными испытаниями механических свойств применяются испытания на вязкость разрушения. Они базируются на основных положениях механики разрушения и предусматривают определение энергоемкости процесса распространения острой трещины. Получаемые результаты в виде параметров вязкости разрушения в определенной мере характеризуют большую или меньшую надежность работы материала, в котором либо уже имеются трещины или дефекты, им подобные (неметаллические и другие включения), либо в связи с тяжелыми условиями работы высока вероятность их образования.

При соблюдении определенных условий, характерных для плоскодеформированного состояния, получаемые при таких испытаниях параметры вязкости разрушения являются константами материала (при постоянной температуре и скорости нагружения), тогда как значения свойств, получаемые при обычных механических испытаниях, во многом зависят от вида конкретного образца. Отсюда становится очевидной важность параметров вязкости разрушения, которые в настоящее время используют для более объективного расчета допустимых рабочих напряжений.

Одним из наиболее распространенных способов использования критических значений параметров вязкости разрушения (K1c, G1c) является расчет размера допустимого дефекта, при котором еще обеспечивается безопасная работа металла в конструкции. Возможны следующие варианты использования результатов такого расчета:

а) определяются параметры вязкости разрушения ряда сталей, предлагаемых для будущего использования в проектируемой конструкции, затем (при использовании результатов обычных механических испытаний) проводится расчет допустимого дефекта (трещины) и выбирается сталь, для которой этот размер оказался максимальным;
б) для конкретной стали, имеющей определенный предел текучести, по значению ее параметра вязкости разрушения рассчитывается размер безопасного дефекта и полученный результат сопоставляется с разрешающей способностью применяемого метода неразрушающего контроля; если рассчитанный размер дефекта близок (или меньше) к тем, которые могут быть обнаружены данным методом неразрушающего контроля, предлагаемая для использования сталь (и обработка) отвергается;
в) по значениям параметров вязкости разрушения сравнивается несколько сталей, выбирается та, которая имеет наивысшие значения, и, если конструктор уверен, что вероятность образования дефектов (трещин) при эксплуатации мала, или же при данном уровне прочности возникающие дефекты не опасны, использование стали с более высокими значениями параметра вязкости разрушения позволяет уменьшить сечения (массу) конструкций.

Предлагаемый советскому читателю сборник статей американских исследователей и инженеров посвящен важным вопросам разрушения конкретных материалов. Наряду с общим анализом природы хрупкого разрушения в сборнике приведен ценный фактический материал по сопоставлению различных методов оценки сопротивления разрушению и определению параметров вязкости разрушения. В связи с внедрением этих методов в практику металловедческих исследований в нашей стране такое сопоставление и оценка применимости каждого из методов являются весьма полезными. Освещены вопросы, связанные с влиянием легирования и технологии обработки на сопротивление разрушению сталей, алюминиевых и титановых сплавов. Эти данные окажутся полезными для выбора той или иной технологии упрочняющей обработки (в том числе и такой ее разновидности, как регулируемая прокатка). Важное значение имеют приведенные в сборнике конкретные данные по сопротивлению разрушению ряда широко распространенных строительных и машиностроительных сталей различной прочности и реальных изделий из них (в частности, листов).

Практическая направленность материалов сборника определяет несомненную полезность этой книги для советских читателей — инженеров и научных работников, занимающихся производством и исследованием металлических сплавов.

Главы 1, 3, 5 переведены В.А. Займовским; 2, 4, 7 — Д.В. Лаптевым; 6, 8, 9 — Г. Я. Лемберским.

М. Бернштейн

Предисловие

Работы, представленные в этом сборнике, в основном связаны с катастрофическим выходом из строя конструкций вследствие хрупкого разрушения материалов. Надо отдать должное Гриффитсу, который двумя первыми статьями в начале 20-х годов внес вклад в разработку теории хрупкого разрушения, основанной на положениях механики сплошной среды. В этих работах он предложил описывать процесс разрушения с точки зрения энергии, необходимой для распространения трещины. В 1926 г. Пирс применил вероятностные методы для изучения прочности волокон, а в 1939 г. Вейбулл первым использовал статистические методы для изучения хрупкого разрушения.

Опираясь на эти работы, а также на работы Теодора Кармана, многие исследователи начали изучать различные аспекты хрупкого разрушения, и в 40-х годах был накоплен обширный материал по хрупкости. С появлением многочисленных публикаций результатов исследований кажется своевременным собрать всю эту информацию и критически осмыслить различные теории и экспериментальные данные в этой области. Это будет полезно инженерам, студентам и исследователям на заводах, в учебных и научно- исследовательских институтах и ведомствах.

Правильное объяснение причин хрупкого разрушения и целесообразное применение полученных знаний будут зависеть в основном от успешного синтеза механики сплошной среды, материаловедения, физики, математики и химии. Так как немногие имеют одинаково большой опыт в этих областях, семитомное издание   построено так, чтобы читатель мог самостоятельно изучить проблему разрушения. Большинство глав написано, насколько это возможно, подробно, а необходимые пояснения и уравнения вынесены в приложения. Всюду, где это было возможно, использован математический аппарат только на уровне институтского курса. В работе широко используются конкретные примеры технических приложений. Издание иллюстрировано фотографиями и рисунками. Там, где это было возможно и уместно, указаны источники теоретических и экспериментальных результатов, а также установлена связь микро- и макроскопических аспектов разрушения. Особый интерес представляет материал, в котором освещаются технические проблемы и направления исследований, необходимые для восполнения пробелов в нашем знании предмета.

Везде, где представлялась такая возможность, предпринималась попытка связать атомистическую теорию разрушения с механикой сплошной среды. В известном смысле это позволяет надеяться, что достигнут эффективный разносторонний подход к проблеме разрушения.

Издание состоит из семи томов: I — «Микроскопические и макроскопические основы разрушения», II — «Математические основы разрушения», III — «Инженерные основы разрушения и влияние окружающей среды», IV — «Принципы проектирования с учетом разрушения», V — «Проектирование конструкций с учетом разрушения», VI — «Разрушение металлов», VII — «Разрушение неметаллов и композитов».

В первой главе этого тома Н.С. Столофф рассматривает влияние различных легирующих элементов на низкотемпературное разрушение металлов в связи с изменением характера пластической деформации при легировании. Параметры течения в свою очередь включены в теорию перехода от вязкого разрушения к хрупкому Коттрелла—Петча. Показано, что легирующие элементы, присутствующие в твердом растворе и повышающие напряжение течения или скорость деформационного упрочнения матрицы, способствуют развитию плоского скольжения или двойникования или уменьшают поверхностную энергию разрушения и пластичность. Когда легирование приводит к увеличению возможного числа способов деформации, измельчению структуры или перераспределению примесей внедрения, температура хрупко-вязкого перехода снижается, а вязкость разрушения растет. При легировании сверх предела растворимости характеристики разрушения зависят от образующихся частиц второй фазы. Особенно вредны игольчатые, пластинчатые и ленточные частицы, которые имеют относительно большой размер, например несфероидизированные карбиды в сталях, гидриды в цирконии. Однако, когда некогерентные частицы очень малы, пластичность сплава может увеличиваться, так как размер дислокационных построений (и концентрация напряжений вокруг них) уменьшается.

В главе по влиянию технологии обработки металлов на их сопротивление разрушению А.Т. Инглиш и У.А. Бакофен подчеркивают, что вязкость и пластичность конструкционных материалов очень чувствительны к изменению технологии их получения и обработки. Поэтому основной метод достижения оптимальных свойств данного сплава — контроль технологии. Родственная научная проблема состоит в обнаружении и контроле соответствующих изменений микроструктуры. Цель авторов — изучение параметров микроструктуры, наиболее существенных с точки зрения вязкости разрушения. Первая часть 2-й главы посвящена влиянию размера зерна и измельчения структуры. Затем при обсуждении вводятся такие понятия, как «текстура» и «волокнистость», возникающие из-за вытягивания частиц, второй фазы и предпочтительной ориентировки кристаллов. В последней части внимание сосредоточено на изучении внутризеренной структуры. Рассматривается влияние изменений параметров технологии, особенно режимов деформации и термической обработки.

Глава 3, написанная А.С. Тетельменом и А. Дж. Мак Эвили, представляет обзор по природе разрушения высокопрочных материалов. Важнейшими факторами, оказывающими влияние на разрушение таких материалов, являются: уровень запасенной упругой энергии, геометрия изделия, вязкость разрушения и окружающая среда. Поскольку для высокопрочных материалов характерно вязкое разрушение с малой энергоемкостью, здесь нет четко выраженного хрупко-вязкого перехода, и поэтому температура оказывает меньшее влияние, чем в случае материалов с низкой прочностью. Знание характеристик стабильного роста трещины в высокопрочных материалах позволяет сделать рациональное приближение для безопасного расчета конструкций. Приведены примеры такого расчета. Структура, особенно расстояние между частицами и их прочность, вместе со скоростью деформационного упрочнения рассматриваются в связи с вязкостью высокопрочных сталей, алюминиевых и титановых сплавов. Оценивается влияние циклического нагружения и окружающей среды на разрушение высокопрочных материалов.

Ф.У. Боулгер в главе 4 рассматривает имеющиеся результаты по вязкости разрушения конструкционных перлитных сталей. Описываются методы, применяемые обычно для оценки сопротивления этих сталей хрупкому разрушению. Установлена корреляция между значениями лабораторных оценок вязкости и параметрами служебных свойств материалов. Обсуждается влияние металлургических факторов на поведение горячекатаных и нормализованных сталей. Приводятся результаты исследования влияния технологии и химического состава сталей на вязкость разрушения. Здесь же приведены данные для сталей с пределом текучести больше 50 кгс/мм², но автор отмечает, что этих результатов недостаточно для полной характеристики высокопрочных сталей.

Глава 5 — это обзор Дж. X. Бьючера, Дж. Д. Грозиера и Дж. Ф. Энриэтто по прочности и вязкости феррито-перлитных сталей. В этом обзоре изменения микроструктуры, вызванные варьированием химического состава и параметров технологии, связываются с окончательными свойствами и восполняют пробел между лабораторными исследованиями со строго контролируемыми режимами и реальными производственными условиями. Особое внимание уделено развитию высокопрочных низколегированных сталей с пределом текучести 42—56 кгс/мм². Представленные уравнения линейной регрессии, применимые к основным промышленным сталям, получены для параметров прочности и вязкости.

Подробно обсуждаются также проблемы легирования и изменения технологии для получения заданных свойств.

В главе 6 Р.И. Зинхем и Дж. X. Дедрик приводят основные характеристики алюминия и его сплавов и определяют термины, связанные с характеристиками разрушения. Описываются различные методы испытаний, применяемые для оценки вязкости алюминиевых сплавов. Значения вязкости определяются по результатам динамических испытаний (удар по Шарпи, взрывной и копровый разрыв), растяжения надрезанных образцов, внецентренного растяжения по Кану и по результатам испытаний в условиях критической плоской деформации (K1c) и плосконапряженного состояния (Kc). Криогенные температуры оказывают слабое влияние на характеристики разрушения алюминиевых сплавов. Отмечается ограниченное влияние коррозионной среды на вязкость разрушения.

Обсуждается микромеханика разрушения алюминиевых сплавов. Изучение влияния химического состава в сплавах серии 7000 указывает, что для повышения вязкости разрушения необходимо снизить содержание нерастворимых включений и тщательно контролировать состав.

Приводятся методика и примеры расчета алюминиевых конструкций, основанные на положениях линейно упругой механики разрушения и теории концентрации напряжений.

Дж. X. Бечтолд и Б. Дж. Шоу выбрали из обширного потока информации основное, что необходимо для понимания процессов разрушения о. ц. к. переходных металлов. В обзоре показано влияние примесей на металлы групп Va и VIa, влияние предварительной деформации на разрушение и приведен атомистический подход к вопросам разрушения.

В главе 8, подготовленной Р. Д. Энквистом, рассматриваются основные принципы и характеристики лазера, такие как номинальная мощность, коэффициент полезного действия, диаметр пучка и т. д. Анализируются уравнение теплопередачи и влияние очень быстрого охлаждения, предпринимается попытка установить связь между лазерной технологией и разрушением материалов. Рекомендуется использовать лазер при испытании хрупких высокопрочных материалов.

Последняя глава, написанная Дж. В. Девиссоном и В. X. Вэйгханом, посвящена разрушению материалов под действием электричества. Сюда относятся разрушения в твердых телах, вызванные дугой и электрическими разрядами, разрушения, связанные с диэлектрическим пробоем и электролизом, разрушения пьезоэлектрической керамики при пульсирующем напряжении и разрушения контактных пружин в сильных электрических полях.

Г. Либовиц

поддержать Totalarch

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер (Комментарий появится на сайте после проверки модератором)