Технология исследования разрушения конструкционных материалов в разных условиях нагружения

ТЕХНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 
РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ В РАЗНЫХ УСЛОВИЯХ 
НАГРУЖЕНИЯ

Г.В. ПАЧУРИН

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, исправленное и дополненное

Допущено УМО высших учебных заведений РФ по образованию
в области материаловедения, технологии материалов и покрытий
в качестве учебного пособия по дисциплинам специализаций для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
«Материаловедение и технологии материалов»

УДК 620.16(075.8)
ББК 34.431я73
 
П21

Пачурин Г.В.
П21 
Технология исследования разрушения конструкционных материалов в разных 
условиях нагружения : учебное пособие / Г.В. Пачурин. — 2-е изд., испр. и доп. — 
Москва : ИНФРА-М, 2021. — 204 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/981296.

ISBN 978-5-16-014416-0 (print)
ISBN 978-5-16-109471-6 (online)

Учебное пособие посвящено решению актуальных вопросов, связанных с прогнозированием влияния эффекта пластической деформации на поведение в различных условиях эксплуатации широкого класса металлов и сплавов. Описана 
разработанная автором технология исследования механических свойств и процесса разрушения пластически обработанных металлических материалов в различных условиях нагружения (статического при разных температурах, циклического на воздухе при низких, комнатной и повышенных температурах, а также 
при комнатной температуре в присутствии коррозионной среды).
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных 
стандартов высшего образования последнего поколения.
Адресовано бакалаврам и магистрантам высших учебных заведений очной 
и заочной форм обучения по направлениям подготовки 20.03.01 «Техносферная 
безопасность» (профиль подготовки «Безопасность технологических процессов 
и производств»), 22.03.01 и 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов», 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия», 15.03.01 и 15.04.01 «Машиностроение», 
15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», 15.03.02 
«Технологические машины и оборудование», 15.03.04 и 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», 17.05.02 «Стрелково-пушечное, 
артиллерийское и ракетное оружие», 15.03.05 «Конструкторско-технологическое 
обеспечение машиностроительных производств». Может быть полезно научным 
и инженерно-техническим работникам предприятий автомобильной, авиационной, судостроительной и других металлообрабатывающих отраслей машиностроения, работникам лабораторий, а также при подготовке специалистов по материаловедению, металловедению и обработке металлов давлением.

УДК 620.16(075.8)
ББК 34.431я73

Р е ц е н з е н т:
Гаврилов Г.Н., доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения технологий материалов и термической обработки металлов Образовательнонаучного института физико-химических технологий и материаловедения Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева

ISBN 978-5-16-014416-0 (print)
ISBN 978-5-16-109471-6 (online)
© Пачурин Г.В., 2021

Введение

Улучшение эксплуатационных и технологических свойств 
промышленных изделий, повышение технического уровня 
и качества выпускаемой продукции являются одними из основных задач науки и техники. Непрерывное ужесточение 
требований к надежности работы элементов конструкций заставляет подробнее анализировать конкретные условия их работы.
Большинство станков, машин и деталей в процессе эксплуатации подвергается циклическим нагрузкам. Поэтому 
проблема выносливости материалов актуальна для автомобильной, авиационной, судостроительной, станкостроительной, энергетической и других отраслей промышленности.
Для оценки работоспособности металла в различных 
условиях нагружения кроме параметров статической прочности и пластичности необходимо располагать характеристиками его выносливости с учетом различных факторов: 
геометрических, формы цикла и частоты его изменения, концентраторов напряжений, видов и режимов технологической 
обработки, температуры и среды испытания и т.д. Существует 
мнение, что оценивать влияние этих факторов на работоспособность конструкционных материалов в готовом изделии 
следует лишь по результатам натурных испытаний. Однако 
последние при всей кажущейся их очевидной приоритетности 
существенно менее информационно емкие, так как они:
— позволяют получать данные для оценки работоспособности изделия лишь после того, как оно изготовлено 
из вполне определенного сплава и по конкретной технологии, 
а не на стадии его проектирования и поиска оптимального выбора материала и его технологической обработки;
— не могут дать сведений для сравнительной оценки 
и прогнозирования выносливости металлических материалов 
в различных состояниях и разных условиях работы, а отра

Введение

жают лишь конкретно и недифференцированно конструктивные особенности изделия;
— являются, как правило, форсированными и обычно 
неэквивалентно отражают особенности накопления повреждений, свойственных реальным режимам эксплуатации.
Кроме того, натурные испытания являются весьма дорогостоящими из-за их материалоемкости и сложности технологии изготовления натурных изделий; энергоемкости, мощности, габаритов, оригинальности испытательного оборудования и т.д.
Жесткие требования к снижению металлоемкости машин 
и технических устройств не позволяют избежать появления 
в ответственных деталях усталостных трещин. Однако в некоторых материалах они могут возникать сравнительно рано, 
поэтому большую часть своей «жизни» детали вынуждены работать с трещинами. А значит, для полной оценки их работоспособности желательно располагать не только параметрами 
циклической долговечности и усталостной прочности, 
но и максимальной информацией о процессе накопления повреждений на всех этапах усталостного разрушения конструкционных материалов: стадии зарождения трещин и их последующего развития вплоть до полного (катастрофического) 
разрушения образца.
Все это обусловливает необходимость совершенствования 
методики усталостных испытаний металлических материалов. 
Однако сведения, касающиеся методических вопросов проведения исследований процесса разрушения металлов и сплавов 
в разных условиях нагружения, весьма разрозненны и не систематизированы. Особенно это актуально для случаев, когда 
прямое наблюдение процесса структурной повреждаемости 
методически затруднительно, а порой и невозможно (криогенные и повышенные температуры или присутствие коррозионных сред). Поэтому конкретные методические решения 
данных вопросов могут представлять определенный интерес 
как для исследователей — металловедов, материаловедов, 

Введение

так и для инженерно-технических работников лабораторий 
и промышленных предприятий, занимающихся проблемами 
изучения свойств металлов и сплавов, а также сравнительной 
оценкой влияния на эксплуатационную надежность режимов 
их технологической обработки.
В данной книге приведены основные сведения, некоторые 
подходы и пути решения методических вопросов испытания 
металлов и сплавов при статическом и циклическом нагружении, представлены оригинальные усталостные установки и приспособления, а также примеры результатов комплексного исследования кинетики процесса усталостного 
разрушения металлических материалов после различных режимов технологической обработки (термической и пластической) в разных условиях нагружения (в коррозионной среде, 
на воздухе при пониженной, комнатной и повышенной температурах).
В пособии использованы результаты многолетней личной 
работы автора, а также труды, выполненные и опубликованные совместно с Г.П. Гусляковой, В.А. Власовым, Н.А. Межениным, В.В. Галкиным и А.Н. Гущиным. Автор выражает 
им свою благодарность и признательность.
После изучения данного пособия студенты будут обладать 
следующими компетенциями:
ПК-4 — способность использовать в исследованиях и расчетах знания о методах исследования и диагностики свойств 
материалов, физических процессах, протекающих в материалах при их обработке;
ПК-5 — готовность выполнять комплексные исследования 
и испытания при изучении материалов и изделий, процессов 
их обработки;
ПК-10 — способность оценивать качество материалов 
в производственных условиях на стадиях опытно-промышленных испытаний и внедрения;
ПК-11 — способность применять знания о современных 
конструкционных материалах, принципах их выбора для за

Введение

данных условий эксплуатации с учетом требований надежности и долговечности при проектировании высокотехнологичных процессов и оборудования.
В соответствии с вышеперечисленными компетенциями 
студенты будут:
знать
— основные методы исследования и диагностики свойств 
материалов, изучения физических процессов, протекающих 
в материалах при их статическом и циклическом нагружении 
в разных условиях (в коррозионной среде, на воздухе при пониженной, комнатной и повышенной температурах) после 
различной технологии обработки;
уметь
— выполнять комплексные исследования и испытания 
при изучении механических свойств материалов и изделий 
после различных видов и режимов их технологической обработки;
— применять знания о современных конструкционных 
материалах, принципах их выбора для заданных условий эксплуатации с учетом требований надежности и долговечности 
при проектировании высокотехнологичных процессов и оборудования;
владеть
— навыками оценки качества материалов в производственных условиях на стадии опытно-промышленных испытаний и внедрения;
— принципами их выбора для заданных условий эксплуатации с учетом требований надежности и долговечности металлоизделий и оборудования.

Глава 1. 
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. СТАТИЧЕСКОЕ РАСТЯЖЕНИЕ

Под деформацией принято понимать изменение размеров 
и формы тела под действием приложенных сил. Однако деформация может быть вызвана не только действием внешних 
сил, но и различными физико-механическими процессами, 
возникающими в самом теле, например, изменением объема 
отдельных кристаллов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента.
Механические свойства представляют собой характеристики, определяющие поведение металла под действием 
приложенных внешних механических сил. В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. На практике чаще применяют 
испытания на растяжение (на разрыв), для чего используются 
стандартные образцы (ГОСТ 1497—73). Поведение металлических материалов в процессе испытаний на статическое растяжение подробно освещено в работах многих отечественных 
и зарубежных исследователей.
Процессы пластической деформации, зарождения и распространения трещин характеризуют разрушение металлов и сплавов как при статическом и циклическом, так 
и при других видах нагружения. Кинетика статического разрушения состоит из двух стадий — зарождения трещины и ее 
распространения через все сечение образца.
Характер разрушения может быть вязким, когда превалирует доля пластической деформации, и хрупким, когда доля 
пластической деформации мала. Хрупкое и вязкое разрушения отличаются величиной пластической зоны в вершине 

Глава 1. Общие положения

трещины. Так, при вязком разрушении величина пластической зоны в вершине распространяющейся трещины велика, 
а при хрупком — мала. Макроизлом по вязкому механизму 
имеет волокнистый характер, а по хрупкому — кристаллический, при этом большинство промышленных металлических 
материалов может разрушаться как вязко, так и хрупко.
На микроструктурном уровне разрушение бывает транскристаллитным, когда трещина распространяется по телу 
зерна, и интеркристаллитным, когда трещина проходит 
по границам зерен. Причем если транскристаллитное разрушение может происходить как по вязкому, так и по хрупкому 
механизму, то интеркристаллитное разрушение практически 
всегда является хрупким. На электронном уровне вязкое разрушение характеризуется чашечным микростроением излома, 
а хрупкое имеет ручьистый узор. Чашечное строение возникает за счет образования внутренних микрообластей — чашек 
с их последующим удлинением и разрывом перемычек между 
локальными очагами разрушения. Хрупкое разрушение происходит по нескольким параллельным плоскостям, при сколе 
или пластичном сдвиге между ними возникают ступени, которые и образуют ручьистый рисунок.
По мнению ряда авторов, в закономерностях процессов 
пластической деформации и разрушения металлов при различных видах деформирования имеется много общего, поэтому предлагается рассматривать стадийность процессов деформации при статическом и циклическом деформировании 
с общих позиций. Стадийность процесса упрочнения в процессе пластической деформации монокристаллических материалов проанализирована в работах В.Ф. Терентьева и представлена на рис. 1.1.
Схема деформационного упрочнения поликристаллических материалов имеет более сложный характер (включает 
пять стадий). Для ее практического определения требуются 
сложные и трудоемкие эксперименты, связанные с изучением 
дислокационной структуры.

1.1. Статическое растяжение

Рис. 1.1. Типичная кривая «напряжение — деформация» для монокристаллов ГЦК-металлов (τ1, τ2, τ3 — напряжения, соответствующие 
началу стадий I, II, III): I — стадия легкого скольжения; II — стадия 
линейного упрочнения; III — стадия параболического упрочнения; 
θ — коэффициент упрочнения

При этом кинетика накопления структурных повреждений 
является сложным многостадийным процессом и зависит 
от многих факторов (например, от исходного структурного 
состояния материала, его эволюции во времени, характера 
внешнего воздействия и др.).
Кроме того, несмотря на то что процессы пластической деформации в поликристаллах более сложны, зарождение микротрещин и других дефектов у поликристаллических металлов 
происходит на более ранних стадиях деформирования, поэтому 
в данном случае легче проследить кинетику их развития.
Согласно работам В.С. Ивановой и соавторов на кривой деформации выделяются три ста дии: I — стадия интенсивного 
упрочнения, II — стадия обратимой повреждаемости и III — 
стадия необрати мой повреждаемости. Причем каждой из этих 
стадий соответствует вполне определенное изменение структуры и ряда механических и физических свойств материалов, 
что позволяет определять напряжение и соответствующую 
степень деформации, при достижении кото рых в металле возникает обратимая и необратимая повреждаемость.

Глава 1. Общие положения

Анализ обширных экспериментальных данных позволил 
получить обобщенную диаграмму статического растяжения 
металлических мате риалов (рис. 1.2). Рас смотрев на ее примере стадийность деформации и накопления повреждений, 
легче перейти к более простым случаям.

Рис. 1.2. Периоды и стадии пластической деформации 
при статическом растяжении (по В.Ф. Терентьеву)

В.Ф. Терентьев на основании собственных исследований 
и литературных данных предлагает классифицировать пластическую деформацию и накопленные при статическом растяжении до начала образования шейки повреждения как период 
зарождения трещин, а шейкообразование с последующим разрушением — как период распространения трещин (см. рис. 1.2).
При температурах испытания ниже температуры хрупкого 
перехода Тх диаграмма растяжения принимает вид кривой, 
изображеной на рис. 1.2 справа. В свою очередь период зарождения трещины состоит из трех стадий: микротекучести, 
текучести и деформационного упрочнения. Период распространения трещин при статическом растяжении пластичных 
металлов и сплавов (от начала шейкообразова ния до окончательного разрушения материала) также можно разделить