РАЗОГРЕВ ФРАГМЕНТОВ РАЗРУШЕНИЯ КАК КЛЮЧЕВОЙ ФАКТОР, ОБЪЯСНЯЮЩИЙ САМОВОЗГОРАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Известно, что при пластической деформации металлических материалов затраченная механическая работа А частично расходуется на изменение внутренней энергии кристаллической решетки металла U, а частично — превращается в тепло Q. При этом, как следует из анализа результатов обзора [51], вне зависимости от природы деформируемого металла и вида воздействия доля работы, переходящая в тепло, с увеличением степени деформации е_д возрастает и составляет перед разрушением не менее 90%.

Учитывая, что вязкое разрушение является завершающей стадией пластической деформации, можно заключить, что вывод о подавляющей части работы, переходящей в тепло при больших степенях деформации с_д, является справедливым и для процесса разрушения вне зависимости от вида разрушающего воздействия. (Аналогичным образом теплота разрушения металла при резании ассоциируется [52] с теплотой деформации срезаемого слоя. Последнюю, вследствие сложности прямого расчета, определяют по разнице между работой резания, устанавливаемой экспериментально, и расчетным значением теплоты трения по передней и задней граням резца. При этом принимают [53], что от 95 до 99% механической работы резания переходит в тепло.)

При сравнительно небольшой скорости деформации выделяемое тепло Q успевает отводиться в соседние части металла и окружающую среду. Вследствие этого величина разогрева АТ деформируемых участков образцов, фиксируемая в экспериментах (например, при растяжении и сжатии меди [54], [55]), как правило, не превышает нескольких градусов. При деформации с большой скоростью и его заключительной стадии — разрушении — наблюдается иная картина, о чем свидетельствует, например, значительный разогрев стружки при обработке металлов резанием. В неопубликованных экспериментах автора было обнаружено, что для образцов титана, подвергаемых разрыву в инертной среде, разогрев АТ на поверхности образца вблизи места разрушения достигает 70 К.

С учетом сказанного выше можно заключить, что при разрушении металла возгоранию подвергаются фрагменты, уже разогретые к моменту взаимодействия с кислородом до значительной температуры Т*, представляющей собой сумму начальной температуры Т₀ и разогрева АТ за счет тепла, выделившегося в разрушаемом объеме:

Ниже анализируется разогрев AT фрагментов разрушения некоторых титановых сплавов из таблицы 3.1 в момент разрыва образцов при растяжении, необходимая информация о механических свойствах которых обнаружена в литературе.

С учетом сказанного выше, количество тепла Q, выделяющегося при разрушении, может быть рассчитано исходя из величины работы разрушения А:

где k — коэффициент, характеризующий долю работы А, перешедшей в тепло (исходя из [51], k = 0,9).

Работу А выражали в виде произведения разрушающей нагрузки Р на путь dL, на протяжении которого она совершается. При представлении разрушаемого объема в виде V = FdL (где F — площадь сечения образца в месте разрыва) удельная работа разрушения равна

где S_A. — истинное разрушающее напряжение; р — плотность материала образца.

Поскольку величины S_A материалов недостаточно полно отражены в справочных данных, значения этой характеристики анализируемых титановых сплавов рассчитывали [56] по величинам их о_в (условного предела прочности) и |/ (относительного сужения) [57], [58], исходя из экспериментальных данных о степени сосредоточенной деформации у образцов материалов при разрыве:

Как показало сравнение рассчитанных по формулам (5.5), (5.6) значений S_h с обнаруженными в литературе экспериментальными данными, разница между этими величинами, как правило, не превышает 5%. Так, например, при экспериментально установленном значении S_h титана ВТ1-2 при комнатной температуре 1070 МПа [59] расчетная величина истинного разрушающего напряжения

(для a_B = 560 МПа, v|/ = 0,5 [59]) оказалась равной 1025 МПа (AS_k ~ 4%).

Поскольку сведений об удельной работе разрушения титановых сплавов в литературе не обнаружено, сравнение расчетных величин А_уд с табличными было проведено для других материалов. Установленные в соответствии с (5.4) величины удельной работы разрушения А_уд углеродистой стали (93 кДж/кг), меди (50 кДж/кг), алюминия (46 кДж/ кг), сопоставляли с экспериментально установленными значениями их удельной работы пластической деформации из [51] при максимальных, из представленных в таблицах степенях деформации е_д. Последние оказались существенно меньшими: 31,8_Сд=зо_%,7,7_Ед=36%,11,0_Ея=зо_% кДж/кг соответственно. Столь значительное превышение удельной работы разрушения над работой пластической деформации обусловлено тем, что величина работы при деформации, рассчитываемая в [51] графическим интегрированием диаграммы растяжения, соответствует усредненному значению истинного напряжения S_C|) для интервала изменения с_д от 0 до ?₍, которое вследствие упрочнения материала в процессе пластической деформации всегда меньше разрушающего напряжения S_h.

В случае хрупких материалов разрушению предшествует только упругая деформация. Поскольку разрушенный объем металла не восстанавливает свою первоначальную форму, работу разрушения для этих материалов следует приравнивать к работе, затраченной на их упругую деформацию перед разрушением, и так же рассчитывать по формуле (5.4). При этом величина S_k сплава совпадает с его значением условного предела прочности а_в на растяжение.

Далее полагали, что в конечный момент разрушения разрыв образца происходит практически мгновенно и все выделяемое тепло расходуется только на разогрев разрушаемого объема металла. (Обоснование такого предположения приводится в п. 6.2.) При этом для отдельных его фрагментов (полу- и полностью оторвавшихся частиц, верхушек пиков на образовавшейся ювенильной поверхности), отличающихся затрудненным теплоотводом, указанный разогрев AT близок к адиабатическому и с учетом (5.3), (5.4) может быть рассчитан по формуле

где р, с_р — плотность и среднее значение теплоемкости разрушаемого металла в интервале температур Т₀-Т*.

В таблице 5.1 представлены рассчитанные значения S_A., АТ, Т* анализируемых титановых а-сплавов в сопоставлении со значениями критического давления возгорания Р’ этих материалов (из табл. 3.1), экспериментально установленными при растяжении образцов до разрыва в кислороде.

Как свидетельствуют результаты расчета (табл. 5.1), разогрев (АТ) фрагментов разрушения образцов анализируемых сплавов может достигать 470 К, а их температура (Г*) — 770 К.

Такие величины разогрева коррелируют с результатами экспериментов Бэкофена по растяжению до разрыва образцов никелевой стали (0,48% С, 20% Ni) в ледяной воде, представленных в работе [60]. Сообщается, что при осмотре разорванных образцов, имеющих до разрыва структуру отпущенного мартенсита, который хорошо травится и поэтому выявляется под микроскопом в виде темных областей,

Таблица 5.1

Расчетные значения Si„ АТ, Т* и экспериментально установленные величины Р* титановых а-сплавов в кислороде при различных температурах испытаний То

на поверхности излома обнаруживаются фрагменты (например, верхушки острых пиков) светлого цвета, имеющие структуру аустенита. Установленный факт превращения мартенсита в аустенит в результате разрушения образца служит, по мнению авторов [60], индикатором значительного разогрева этих фрагментов. Согласно диаграмме состояния Fe-Ni [61] для получения в сплаве с 20% никеля аустенитной структуры необходим нагрев не менее чем до 773 К, из чего можно заключить, что как минимум до этой температуры и были разогреты указанные фрагменты поверхности разрушения образца. Поскольку температура обратного превращения аустенита в мартенсит для этого сплава ниже 273 К [61], аустенитная структура фрагментов при охлаждении сохраняется и регистрируется под микроскопом.

Вместе с тем, как видно из таблицы 5.1, прослеживается четкая зависимость между величинами Т' и Р’: с увеличением температуры Г’, до которой способны разогреться фрагменты разрушения сплавов, давление кислорода Р*, необходимое для их возгорания, монотонно убывает (рис. 5.1). Это обстоятельство позволило автору заключить, что температура Т* есть критический параметр, характеризующий склонность металла к самовозгоранию, критериально связанный с величиной другого критического параметра — давления возгорания Р*.

Рис. 5.1

Зависимость между параметрами Т’, Р' титановых сплавов