Виктор Финкель - Портрет трещины
Одна закона грубая скрижаль равна для человека и металла: нужна борьба, чтоб сталью стала сталь…
(Я- Белинский)
Вы, вероятно, помните, что так называемые внутренние напряжения и есть ложка дегтя, которая портит бочку меда при термической обработке стали. Именно они и ведут к появлению трещин. Следовательно, первейшей задачей является гашение напряженного состояния детали. Сделать это можно несколькими путями. Вот один из них. Помимо структурных напряжений, возникают и другие- термические. Они появляются при более высоких температурах, когда металл еще очень пластичен, а фазовые переходы еще не начались. Очевидно, при достаточно высокой скорости охлаждения эти напряжения могут привести к пластической деформации детали и разрядиться, то есть стать не опасными.
Со структурными остаточными напряжениями, как правило, дело обстоит наоборот – быстрое охлаждение при довольно низких температурах вызывает лишь многие трещины. Поэтому целесообразно при температурах ниже начала перехода аустенита в мартенсит вести охлаждение бережно и очень медленно. Такое «нежное» обращение со сталью осуществляют зачастую, закаливая ее не в воде, а в масле, где она «остывает» с меньшей скоростью. Ясно, что во всех случаях внутренние напряжения будут определяться той исходной температурой, с которой начинается закалка. Поэтому рекомендуется эту температуру выбирать максимально низкой.
Надежным методом снятия внутренних напряжений является отпуск, то есть повторный нагрев после закалки, во время которого металл и его структурные компоненты несколько лучше приспосабливаются друг к другу. Что-то вроде встряхивания пассажиров в переполненном троллейбусе: все кое-как разместились, «притерлись» и едут в тесноте, да не в обиде.
На языке термической обработки это означает, что термическое «встряхивание» структурных элементов ведет к снятию внутренних напряжений.
Когда-то Александр Грин сказал, что действительность большей частью завязывает и развязывает узлы в длительном темпе. Закалка не такова – за ничтожные секунды проходит фазовый переход, возникают мощные остаточные напряжения, трещины и следует неизбежное разрушение. Поэтому важно не затягивать с проведением отпуска, помня, что с течением времени прочность напряженной детали падает. Поэтому отпуск и осуществляют немедленно после закалки.
МЕТАЛЛ УСТАЛ..
Что замок, что харчевня – все тщета,
И все растопчет времени пята,
Под этой ногой не устоит
Ни зданье, ни железо, ни гранит.
Ш. ПетефиЧеловек устает, и это нас не удивляет. Силы металла тоже ограничены. Но если человек может устать при выполнении любой работы, то «усталость» металла – это его реакция на вполне определенный вид нагружения – многократно повторяющееся приложение нагрузки одного и того же или противоположных знаков. Как же проявляется усталость в неживом материале? Вначале он пластически деформируется, а затем разрушается. Но ведь то же самое происходит при обычном нагружении?
Как будто и события те же и составляющие его элементы- пластическая деформация, микротрещины, разрушение- почти такие же. Однако явление это серьезно отличается от разрушения, вызванного действием однократно приложенной нагрузки. Попробуем, читатель, хотя бы поверхностно разобраться в этом вопросе.
Прежде всего металлы окружающего нас мира испытывают постоянные воздействия пульсирующих нагрузок. Железный каркас здания принимает на себя беспрерывную микроскопическую вибрацию почвы – ведь по земле, никогда не перекращаясь, струится поток слабых упругих волн. Это результат сейсмической активности нашей планеты. Корпус цеха с металлообрабатывающими станками также все время находится в состоянии вибрации. Станина станка из-за контакта резца с деталью дрожит. Вибрируют двигатели, корпуса самолетов, машины. Ясно, что эти колебания должны влиять на состояние металла. Вот только как? Иной раз трагически – самолеты разваливаются в воздухе. Рельсы, многократно прогибающиеся под тяжестью железнодорожных составов, лопаются. Оси, несущие мощные маховики и колеса, под действием рабочей нагрузки и несбалансированной центробежной силы изгибаются поочередно в различных направлениях и ломаются. А это страшное зрелище – подпрыгивающее на шоссе оторвавшееся колесо тяжелого грузовика. Итак, усталость, почти следует Шекспиру: «Повторность изменяет лик вещей» и порой проявляется драматически.
Каковы же внешние особенности явления усталости с позиции механики? Прежде всего усталостное разрушение протекает с участием пластической деформации, но масштабы ее очень невелики в сравнении с одноразовым разрушением. Особенно опасная черта усталостного разрушения- это способность начинаться и протекать при напряжениях, намного меньших, чем предел прочности или текучести. По существу, напряжения эти не выходят из упругих рамок, но циклическое нагружение так эффективно использует их, что «с успехом» разрушает материал. В случаях, когда напряжения эти значительны, усталостное разрушение наступает раньше. Но если напряжения очень малы, это тоже «не пугает» усталость. Просто для гибели нужно большее число циклов. Металл как бы располагает некоторым моторесурсом – долговечностью. Он способен выдержать определенное число циклов приложения нагрузки. И это число снижается с увеличением приложенных напряжений, что в общем естественно. Ведь усталость человека тоже зависит от тяжести выполненной работы. Чем она больше, тем быстрее мы «сдаем». Но, конечно, масштабы усталости металлов иные. При разумном приложении внешнего на-гружения сталь способна выдерживать десятки миллионов актов нагружения. Например, рессора автомобиля! Какое огромное число колебаний она должна «вытерпеть»- на каждом камешке и неровности, чтобы обеспечить безопасность и комфорт движения. А разнообразные клапаны в двигателе, работающие непрерывно,
да еще при высокой температуре! Таким образом, процесс усталости развивается за счет того, что невысокие напряжения как бы «компенсируются» многоразовым приложением нагрузки. Это и ведет к утомлению и «одряхлению» металла. Не следует думать, что устают только отдельные непрочные металлы. Нет! Это явление общее и подчиняет себе любую, даже сверхпрочную сталь!
Если механические, так сказать внешние особенности протекания усталости достаточно ясны, то с физическим механизмом процесса дело куда сложнее. Начнем с пластической деформации. Отличительной особенностью пластического течения при усталости является его сосредоточенность в меньшем объеме, чем при одноразовом нагружении. И в том, и в другом случаях механизм пластической деформации дислокационный, однако, вместо появления все большего числа линий скольжения при обычном деформировании усталость сопровождается образованием ограниченного количества линий скольжения с последующим их расширением. Это общая фундаментальная закономерность усталости – высокая неоднородность всех процессов по сечению металла. Усталость- процесс, способный «выбирать» самые слабые звенья прочности и сосредоточивать на них свои подтачивающие усилия. При этом свойства основного массива металла могут быть и не затронуты разрушением. Приведем некоторые примеры «коварства» избирательности усталостного разрушения.
Прежде всего оказывается, что концентрация напряжений при усталости ведет к охрупчиванию металла гораздо быстрее, чем в условиях обычного нагружения. При многоцикловом нагружении металл становится более чувствительным к самым разнообразным концентраторам: дефектам на поверхности, надрезам любых видов и сортов, участкам коррозии.
В частности, такими концентраторами всегда являются неметаллические включения. Но при усталости они становятся подлинно опасными, потому что многоцикловое нагружение сразу же сосредоточивает пластическую деформацию вокруг включений и уже на ранних стадиях, когда основной металл еще здоров, зарождает на включении микротрещину. Этому способствует и то, что со временем включение, которое после выплавки металла было прочно «вклеено» в матрицу, отрывается от нее – теряет связь с металлом; концентрация напряжений сра-
зу возрастает и вероятность протекания скольжения и микроразрушения вокруг включения резко увеличивается.
Эта неоднородность деформирования по сечению «утомляющегося» металла и ведет к тому, что общая энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию циклично нагружаемого металла, меньше, чем при обычном деформировании. Вот и получается, что неоднородность и избирательность разрушения «спасают» металл в целом и от деформации, и от разрушения. Но все же в его объеме найдутся одно-два слабых места – пожива для процесса усталости. Таким образом, металл может быть выведен из строя сосредоточенным разрушением на считанных участках, уязвимых для зарождения усталостной трещины. Что касается общих мощнейших ресурсов прочности металла, то они остаются неиспользованными. В этом-то и опасность усталости, выискивающей в металле слабые звенья и обыгрывающей их.
