> Техника, страница 91 > Хрупкость металлов

Хрупкость металлов

Хрупкость металлов, свойство металла при статической нагрузке рваться, ломаться или разрушаться без заметной остаточной деформации. Если металл перед разрывом обнаруживает пластич. деформации (смотрите Деформация пластическая), а остаточных деформаций не получается только при ударной нагрузке, то это свойство называется уд.арной хрупкостью. Х.м. при низких и обыкновенных t° иногда называется холодноломко-с т ь ю, а X. м. в раскаленном состоянии—к р а с-ноломкостью. Хрупкость зависит от целого рада факторов: от структуры металла, ориентации кристаллитов, от примесей, от самого метода испытания и т. д. Один и тот же слиток металла в одном направлении м. б. хрупким, а в другом пластичным. Начиная приблизительно с 1920 года, металловедение сделало большие успехи благодаря тому, что был открыт ряд способов получения металлич. монокристаллов, то есть одиночных кристаллов, в виде стержней. Детальные исследования механических свойств этих монокристаллов, произведенные нем. физиками (Полани, Э. Шмид, Закс и их сотрудники) и англ, металловедами (Тейлор, Карпентер, мисс Элам и др.), дали весьма ценные результаты для понимания механизма хрупкости и пластичности (смотрите). Эти исследования показали, что в металлич. монокрист существуют вполне определенные кристаллографии. плоскости—плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, по которым начинается трансляция, или скольжение, одних слоев относительно других. Это явление начинается тогда, когда сдвигающее, или с к а л ы в а то щ е е, н а-пряжение в данной плоскости и по вполне определенному направлению достигает некоторого критич. значения S. Кристаллографии, направление в плоскости скольжения, по которому атомы расположены наиболее близко друг к другу, является направлением скольжения.

При такой деформации происходит повышение критич. скалывающего напряжения, к-рое иногда, по мере роста пластич. деформации, увеличивается в десятки раз. Эти же плоскости скольжения б. ч. являются плоскостями спайности или скола. Когда нормальное напряжение в такой плоскости достигает критического значения N, то монокристалл разрывается по этой плоскости, давая в месте разрыва иногда зеркальногладкие поверхности.

Для металлич. монокристаллов предел текучести не является постоянной величиной, а зависит от ориентации плоскостей скольжения относительно направления растягивающей силы (смотрите Деформация металлов). Константами монокристалла являются: критич. скалывающее напряжение S и критич. нормальное напряжение N. Различные монокристаллы одного и того же металла могут быть в зависимости от ориентации плоскостей скольжения или абсолютно хрупкими или же настолько пластичными, что при растяжении превращаются в тонкую ленту, длина которой иногда в 10 раз больше первоначальной длины монокристалла. Пусть (фигура 1) плоскость скольжения q наклонена к оси монокристалла, по которой действует растягивающая сила F, под углом ж и пусть скольжение в плоскости q происходит по направлению OD, к-рое образует угол Я с OF. Обозначив через b диам. поперечного сечения цилин-дрич. монокристалла, через а—длину наибольшей оси эллипса плоскости qимеем

b — a sin х,

или лb² паb

~1Г=—Г S1H X,

4 4 ’

то есть

q=q sin ж,

где q—площадь сечения^стержня перпендикулярно его длине. Стержень растягивается силой F, следовательно напряжение на площадь q равно

К =

и на площадь q:

Q

-sinx=Ksinx.

Проектируя К на нормаль к плоскости скольжения q получаем нормальное напряжение N=K sin х — К sin² ж;

проектируя К на направление скольжения ОВ₉получаем скалывающее напряжение S — К cos Я=К sin х cos Я, под действием которого происходит скольжение. Из последнего равенства получаем выражение для предела упругости или текучести

К=—--

smxcosA

Практически углы ж и Я мало отличаются друг от друга, т. ч.

sinaccosac

Если изменять ж от 0° до 90°, то при изменении от 0° до 45° произведение sin ж cos ж будет возрастать от нуля до нек-рого максимума, а затем от 45° до 90°—снова уменьшаться до нуля.

Считая &=Const, получим ход зависимости предела упругости К от ж, подобный изображенному на фигуре 2. Опыты с металлич. монокристаллами показали, что критич. нормальное напряжение N почти не зависит от t° (для висмута при 20° N=329 г/мм² и при -80 °N=327 г/мм²), тогда как критич. скалывающее напряжение S уменьшается с повышением t° (фигура 3). Если при

данной t° угол х таков, что при растяжении сначала достигается критич. нормальное напряжение N, то монокристалл разрывается без остаточных деформаций, то есть является хрупким. С повышением t° вследствие постоянства N и уменьшения <8 тот же кристалл может сделаться пластичным.

Хрупкость поликристаллических металлов, то есть металлов, представляющих собой совокупность кристаллитов, зависит от ориентации плоскостей скольжения кристаллитов. Если эти плоскости перпендикулярны растягивающей силе, то образец разрывается без остаточных деформаций. Конечно явления в поликристал-лич. мет значительно сложнее, чем в монокрист, т. к. отдельные кристаллиты не имеют свободы перемещения при пластич. деформациях. А. Иоффе, М. Кирпичева и М.Левит-ская на крист каменной соли показали, что хрупкость и пластичность зависят от взаимоотношения двух механич. характеристик: предела прочности и предела текучести. Они показали, что предел текучести, определяемый тем напряжением, при к-ром начинается расплывание пятен рентгенограммы Лауе, понижается при повышении t° и доходит до нуля при точке плавления (фигура 4, кривая I); предел же прочности не зависит от t° в интервале от —185° до + 650° (прямая II). Точка А, соответствующая + 200°, в которой предел текучести равняется пределу прочности, есть точка перехода из хрупкого в пластичное состояние. Ниже +200° каменная соль разрывается без остаточных деформаций, а вы-, ше+200° кристалл сначала течет, а затем разрывается. Часть кривой I, влево от точки А, была получена путем растяжения кристаллов под водой, которая все время растворяла поверхность и уничтожала поверхностные трещины, вследствие чего кристаллы можно было деформировать выше предела нормальной прочности. Часть прямой II, вправо от точки А, была получена быстрым разрывом образцов, чтобы избежать упрочнения при пластич. деформации. Таким образом из этих опытов вытекает, что каменная соль может вести себя и как хрупкое и как пластичное тело в зависимости от того, какая из двух механич. характеристик—предел текучести или предел прочности—лежит выше. Однако, как показали В. Ку знецов и Н. Болынанина, при ударной нагрузке (при падении стального шарика) даже при t^c 400-^-500° каменная соль проявляет хрупкость* давая трещины. Все факторы, которые повышают предел текучести в большей степени, чем предел прочности, способствуют увеличению хрупкости. Так, хрупкость повышается при ударном методе испытания, при понижении t°и некоторых примесях (наир, фосфор в железе). Некоторые металлы почти одинаково пластичны как при статич., так и при динамич. методе испытаний“ другие, называемые ударно-хрупкими, оказываются пластичными при статич. нагрузке и хрупкими при динамической нагрузке» К последним относится железо с избыточным содержанием фосфора, как это показал Брейль. Ударная хрупкость вызывается повышением предела текучести; чем больше скорость удара“ тем выше предел текучести. Возникает вопрос: нельзя ли любой металл сделать хрупким при Соответствующей скорости удара? Результаты опытов дают отрицательный ответ на этот вопрос. Оказывается, что при очень больших скоростях разрыва металлич. образец ведет себя более пластично, чем даже при статич. испытании. Возможно, что при таких скоростях в нем развивается сильное нагревание, к-рое увеличивает пластичность. Хорошую углеродистую» сталь не удалось путем увеличения скорости нагрузки довести до хрупкого состояния, Комте· разрывал стальной образец на статич. машине, на копре Шарпи и путем выстрела; он получил: для удлинения образца стали: в первом случае 29,9%, во втором 22,1% и в третьем 25,7%; для? другой стали удлинение оказалось еще больше:. в первом случае 33,2% и в третьем 46,7%.

X. м. весьма сильно возрастает, если при испытаниях ударной нагрузкой на образце делать надрез; металлы, не обнаруживающие хрупкости при испытании без надреза, оказываются иногда очень хрупкими при испытании с надрезом. Из всего этого вытекает, что понятно хрупкость является относительным и разделение металлов на хрупкие и пластичные— чисто условным. При ударном испытании образцов с надрезом напряжения в нек-рых местах образца достигают очень большого значения. Поэтому если с повышением скорости динамич. испытания возрастает предел текучести, а прочность, или истинное сопротивление разрыву, мало изменяется, то хрупкость увеличивается; надрез, создавая большие местные напряжения“ как бы увеличивает скорость возрастания нагрузки и действует на предел упругости так же * как повышение скорости. Следовательно надрез является фактором, усиливающим хрупкость в большей мере, чем это делает повышение скорости, и поэтому представляет большую опасность. Кунце произвел опыты с разрывом железных и медных образцов с выточками одинаковой формы, но различной глубины. Он показал, что временное сопротивление разрыву возрастает пропорционально степени уменьшения площади поперечного сечения; быстрота возрастания тем больше, чем жестче материал; это возрастание временного сопротивления раз-рыву продолжается до определенного предела выточки, после которого оно резко падает и приближается к сопротивлению материала в его первоначальном, исходном, состоянии. Эти опыты дают ряд моментов для выяснения механизма, ударной хрупкости. Опыты Кербера и Закса, которые подвергали ударному разрыву цилиндрич. образцы без надреза и с надрезом, показали, что

Фигура 4.

повышение предела текучести от надреза есть специфич. свойство каждого материала. Людвик сравнительными статич. и динамич. испытаниями установил связь между ударной хрупкостью и сближением предела текучести с пределом прочности или с истинным сопротивлением разрыву. Возможно, что кроме повышения предела текучести при ударной нагрузке происходит еще уменьшение истинного сопротивления разрыву, однако этот вопрос пока не разрешен. Все упомянутые. исследования, а также ряд других приводят к заключению, что причиной ударной хрупкости является повышение местных напряжений вообще и предела текучести в особенности, без повышения прочности. Если предел текучести превышает истинное сопротивление, то получается хрупкий разрыв; если же он, повышаясь при возрастании скорости нагрузки, остается все же ниже прочности, то происходит, только уменьшение пластичности; все факторы, повышающие предел текучести и напряжения наклепа или производящие упрочнения, увеличивают хрупкость.

Большое влияние на X. м. оказывает t°. Своеобразное влияние оказывает изменение Г на металлы, подверженные старению, которое заключается в понижении пластичности и повышении прочности после наклепа и последующего за ним отжига при невысоких t°; к таким металлам относятся железо и сталь. Если определять удельную вязкость, то есть работу на единицу площади, необходимую для излома образца при различных t°, то получается зависимость, изображенная на фигуре 5, где пунктирная кривая—динамич. нагрузка, а сплошная— статич. нагрузка. Уд. вязкость резко падает при t° между 0° и —100° и затем при более низких t° остается почти постоянной; при повышении t° (до 600°) наблюдается ее минимум. Повышенная хрупкость при низких t° называется х о-лодноломкостью, при высоких t°—т е п-ловой хрупкостью. При статич. нагрузке получается смещение критич. точки А в А в сторону более низких t° на несколько градусов и сильное смещение минимума Б в Б в сторону более низких t° (кривая II, фигура 5). Герене и Майлендер исследовали свойства различных углеродистых сталей и нек-рых металлов в интервале от—180° до+ 600°. Оказалось, что для всех сталей с понижением t° предел текучести непрерывно возрастает и при там особенно сильно, начиная от —70° или —80, тогда как истинное сопротивление возрастает при понижении t° значительно медленнее. Сближение предела текучести и прочности вызывает хрупкость при низких Г. Медь, никель и алюминий ни при каком понижении t° не дают хрупкого разрыва, если образцы не имеют надреза. Ряд работ Зауервальда и Б. Шмида посвящен вопросу хрупкости железа. Зауервальд и Поле поставили цель выяснить вопрос о том, происходит ли при низких t° излом по межкристаллич. прослойке или по кристаллитам. Для этого они крупповское мягкое железо с содержанием 0,067% углерода предварительно обезуглероживали в потоке влажного водорода при 950° в течение 50 час., затем давали растяжение на

5,5—5,9% и отжигали образцы в течение 100 ч. при 870° в потоке водорода; при этом вырастали большие кристаллиты. Образцы разрывались на маятниковом копре Шарпи при t° от —10° до —170°. Во всех случаях хрупкий излом при —170° происходил по кристаллитам. Другие исследователи установили, что при высоких t° излом железа происходит по межкристаллической прослойке. Зауервальд, Б. Шмид и Кре-мер установили, что удлинение мягкого железа с 0,067% С при статич. разрыве падает до нуля при понижении Г до—155°; при этой же t° происходит резкое понижение прочности образца. Те же авторы произвели опыты с разрывом системы, состоящей из одного или двух кристаллов железа. Для этого они выращивали большие кристаллиты путем рекристаллизации (предварительный отжиг при 950° в течение 48 ч. во влажном водороде, растяжение на 3,5% и рекристаллизация при 870° в течение 70 ч.). Оказалось, что в области между—98° и—185° наступал хрупкий разрыв, причем в узкой области t° (между —144° и —154°) разрыв происходил частично или полностью по границам зерен; в остальной области разрыв происходил по плоскостямкуба кристаллитов. Зауервальд и Зосинка (1933 г.) показали, что у монокристаллов чистого железа хрупкий и пластич. изломьг перекрывают друг друга в интервале от —98^е до —136°: хрупкий излом наблюдается от самых низких t° до —98° и пластичный излом—от высоких t° до —136°.

Лит.: Давиде н ков Н., Динамические испытания металлов, М.—Л., 1929; Давиденков Н. и Зайцев Г., Механический анализ ударной хрупкости, «Журн. техн. физики», М., 1932; Добровидо А. и Кузнецов В., Хрупкость рельсов при низких темп-pax и способы ее уменьшения, «Сталь», 1932,. 3—4, «Труды Сиб. физико-технич. ин-та», 1932, т. 1, вып. 2; Иоффе А., Кирпичева М. и Левит-ска я М., Деформации и прочность кристаллов, «Ж», т. 56, стр. 489; «Труды Ленинградской физ.-техн. лабор.», 1925, вып. 1; И о ф ф е А. и Л евитская М., Прочность и предел упругости естественной каменцрй соли, там же, 1926, вып. 2; Кузнецов В., Физика твердого тела, Томск, 1932; ЛямзинП., Борьба с хрупкостью стали при низких темп-pax, «Изв. Сиб. ин-та металлов», 1931, т. 1, вып. 1; О дин г И., Прочность металлов, М.—Л., 1932; Штейнберг С., Лекции по-металловедению, М.—Л., 1931; В г e u i 1 Р., Nouveaux m6canismes et nouvelles m6thodes pour 1’essai des тё~ taux, P., 1910; Comtet M., «Memorial d’Artill.», P., 1928; Fahrenhorst W. u. Schmid E., «Ztschr. f. Phys.», 1932 (плоскости скольжения в крист железа); Goerens P. u. Mailander R., «For-schungsarbeiten», B., 1927, 285 (хрупкость сталей в зависимости от ί⁰); а о u g h Z. В., «Proc. of the Roy. Soc.»,. L. (A), y. 118, p. 498, 1928 (плоскости скольжения в крист железа); Н а с h n e 1 О., Die interkristalline Bruchigkeit des Bleies, «Ztschr. f. Metallkunde», В.,

1927, p. 492—495; H u m f г e у J., Interkristalliner Bruch von Eisen u. Stahl, «Ferrum», 1914, H. 7; I о f f e

A., Kirpitschew M. u. Lewitzky M., Deformation u. Festigkeit d. Kristalle, «Z. f. Phys.», Lpz.,. 1924; Ioffe A. u. Lewitzky M., Ueber die Festigkeit u. Elastizitatsgrenze des nattirlichen Steinsalzes, ibid., 1925; Korber F. u. Sack R., Mitteil. Kaiser Wilhelm Instit. f. Eisenforschung, В., 1922; Ku n t z eW., «Mitt. Materialpriif.», В.—Dahlem, 1926 u. «Z. d. VDI»,

1928, B. 72, p. 1488; Ludwik P., «Z. d. YDI», 1924,.

B. 68, p. 212, 1926, B. 70, p. 379; M u g g e O., Jahrb. d.

Mineralogie, 1889 (хрупкость и пластичность мягкого железа при комнатной температуре); S auerwald F., Lehrbuch d. Metallkunde, В., 1929; Sauerwald F. u. E 1 s n e r Π., «Ztschr. f. Phys.», B., 1927; Sauerwald F. u. Pohle K., Ueber den Bruchvergang in Eisen bei tiefen Temperaturen, ibid., 1929; Sauerwald F., Schmid B. u. Dienentahl H., ibid., 1930; Sauerwald F., Schmid B. u. Kramer G., Ueber den Sprodigkeitsbereich von Eisen bei tiefen Temperaturen, ibid., 1930; Sauerwald F. u. Sossinka H., Ueber Spr6digkeit, Plastizitat u. die Gdeitelemente des α-Eisens, ibid., 1933; S*auerwald F. u. Wie-1 a n d H., «Ztschr. f. Metallkunde», B., 1925; Sossinka H., Schmid B. u. Sauerwald F., «Metall-wirtschaft», B., 1931 (плоскости скольжения в железе); Taylor С. a. Elam С., «Proc. of the Royal Society», L., 1926 (A), v. 112, p. 337 (элементы скольжения в крист железа). Вл. Кузнецсо.