Эксплуатационные требования к судостроительной стали

При хрупком разрушении величина зоны пластической деформации очень мала, и растущая трещина сохраняет остроту (по радиусу вершины), соизмеримую с межатомным расстоянием. Под воздействием сравнительно низких внешних нагрузок локальные напряжения аутах резко возрастают, и поэтому рост трещины не только не тормозится, а наоборот, ускоряется. После достижения некоторой критической величины напряжений наступает самопроизвольный лавинообразный рост трещины. Развитие хрупкой трещины в отличие от вязкой происходит в основном на закритической (нестабильной) стадии и представляет большую опасность, так как вызывает внезапный отказ деталей при эксплуатации. Для стали скорость роста трещины в таком случае достигает 2500 м/с. Энергоемкость хрупкого разрушения незначительна, и соответственно работа распространения трещины также очень мала.

С учетом микроструктуры стали различают транскристаллитное и интеркристаллитное разрушения. В первом случае трещина распространяется по телу зерна, а во втором — по границам зерен. При распространении трещин по зерну может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким.

Рассмотренные выше особенности вязкого и хрупкого разрушения отчетливо проявляются при изучении поверхности изломов. Волокнистый (матовый по виду) излом со следами пластической деформации в виде полос скольжения свидетельствует о вязком разрушении стали. Хрупкому разрушению свойствен кристаллический (светлый) излом.

Важные сведения о характере разрушения дают фрактографические исследования, выполненные с помощью электронного микроскопа. Вязкое разрушение характеризуется ямочным (чашечным) изломом. Ямки в изломе возникают в результате образования, роста и слияния множества микротрещин. При этом происходит существенная пластическая деформация межзеренных перемычек, разрушающихся при слиянии соседних микропустот. На дне многих чашек отчетливо выявляются включения карбидов, сульфидов, оксидов железа, что свидетельствует о зарождении микротрещин у этих включений. При хрупком разрушении наблюдается ручьистый излом, представляющий собой систему сходящихся ступенек скола металла.

Вязкий (чашечный) и хрупкий (ручьистый) изломы относятся к транскристаллитному разрушению. Хрупкое разрушение по границам зерен на фрактограммах выявляется в виде характерных гладких поверхностей, так называемых фасеток зернограничного скола. Фрактографический анализ изломов весьма часто выявляет смешанный характер разрушения, т. е. в изломе наблюдаются признаки волокнистого и кристаллического изломов. Доля волокна в изломе обозначается буквой В. Например, обозначение 40 % В показывает, что 40 % сечения образца разрушилось вязко, а 60 % — хрупко.

Вид разрушения существенно зависит от химического состава и исходной структуры стали, а также от условий нагружения образца и температуры испытания. Так, склонность к хрупкому разрушению возрастает с увеличением глубины и остроты надреза металла, с повышением скорости деформирования. Значительную роль играет масштабный фактор: с увеличением размеров изделия вероятность хрупкого разрушения повышается.

Влияние температуры испытания на склонность большинства металлов и сплавов с о. ц. к. и г. п. у. кристаллическими решетками (в том числе и судокорпусных сталей) к хрупкому разрушению показано на рис. 5.5. Из рисунка видно, что при определенных температурах испытания наблюдается резкое падение сопротивления хрупкому разрушению. При этом изменяется механизм разрушения: от вязкого при температурах выше Тв, когда в изломе наблюдается 100 % В, до хрупкого при температурах ниже Тп, когда отмечается 0 % В. Интервал температур, в пределах которого изменяется характер разрушения, называется порогом хладноломкости. Часто порог хладноломкости обозначается температурой полухрупкости Т₅₀, при которой доля волокна в изломе составляет 50 % В.

Естественно что порог хладноломкости судокорпусной стали должен лежать ниже температуры ее эксплуатации. Разность между температурой эксплуатации и Т₅₀ принято называть температурным запасом вязкости. Чем больше температурный запас вязкости, тем выше гарантия от хрупкого разрушения.

Рис. 5.5. Влияние температуры испытания на долю волокна в изломе В и ударную вязкость стали KCU КСТ