Виктор Финкель - Портрет трещины

Не случайно вкладывает в уста Бориса Годунова великий поэт:

Учись, мой сын: наука сокращает Нам опыты быстро текущей жизни. Но до глубокого осмысления природы явления хладноломкости, к сожалению, еще далеко. И если бы мне пришлось дать названия всему тому, что знают физики о хладноломкости, я, пожалуй, вместо слова «мнения» употребил бы «сомнения».

Вот, например, одна из точек зрения. Металл способен разрушаться двумя путями: хрупким и вязким. При хрупком осуществляется как бы прямой разрыв межатомных связей. При вязком вначале происходит пластическое течение и лишь затем разрушение. Жизненный опыт будто подтверждает сказанное. Когда вы ударом молотка разбиваете стекло или когда в ваших руках ломается и крошится грифель, глаз не отмечает существования какой-то деформации – вы увидете просто разрушение и все. Но попробуйте разорвать полихлорвиниловую ленту, сломать медную или алюминиевую проволоку. Вы видите и ощущаете большую деформацию еще до наступления собственно разрушения. Причем эта деформация служит буфером, гасящим внешнее усилие, съедающим его энергию еще до разрыва межатомных связей.

Известно мнение, что в этой пластической деформации- ключ к пониманию явления хладноломкости. В отличие от межатомных сил связи, практически не меняющихся в интервале (+50)-=-(-50) °С, величина пластической деформации крайне чувствительна к температуре у металлов, склонных к хладноломкости. При этом с понижением температуры она ослабевает, что уменьшает ее амортизирующее влияние. В результате внешнее усилие передается непосредственно на устье трещины, где и затрачивается на разрыв межатомных связей.

В действительности, однако, все гораздо сложнее. Деформация напоминает двуликого Януса. Она не только поглощает энергию нагружения, но и сама зарождает микроскопические трещины, способные подрастать еще во время деформирования.

Согласно другим точкам зрения хрупкость стали при низких температурах обусловлена изменением межатомных сил связи, уровень которых падает. Некоторые авторы приписывают хладноломкость особым процессам упорядочения, при которых вращение электронов вокруг своей оси (так называемый спин) происходит преимущественно в определенных направлениях. Некоторые ученые считают, что хладноломкость означает появление какого-то нового полиморфного превращения, то есть перехода кристаллической решетки металла из одной формы в другую… Однако все это лишь гипотезы. Правильны они или неправильны – проверит будущее.

«-Немедленно прекратите стрельбу! – скомандовал военпред и резко склонился над орудием. Даже невооруженным глазом артиллерист заметил на стволе извилистую трещину… Все пять пушек после первых же выстрелов дали ствольные повреждения»!. Причина брака скорее всего была в неправильно проведенной термической обработке орудийных стволов.

Ранее мы говорили о вредном влиянии остаточных напряжений. Между тем они действуют на материал не «откровенно» и прямолинейно, но многими, часто завуалированными путями: например, в детали возникает одна или несколько трещин, ослабляющих конструкцию и способных расти под влиянием всех тех же остаточных напряжений. С опосредствованным участием остаточных напряжений в разрушении мы сталкиваемся довольно часто.

В связи с этим обратимся к термической обработке стали – технологическому процессу, применяемому при изготовлении почти любой ответственной детали механизмов и машин.

В основе большинства видов этого воздействия на сталь лежит структурное превращение аустенита в мартенсит. Аустенит представляет собой плотноупакованную систему атомов, расположенных в форме куба, в вершинах и центрах граней которого находятся атомы железа. В отличие от этого, в более твердом и хрупком мартенсите атомы, занимающие вершины и центр куба, менее уплотнены. В итоге объем, приходящийся на единицу массы в аустените, меньше, чем в мартенсите. Этот факт позволяет понять причины, приводящие к возникновению мощных напряжений при охлаждении стали с высоких температур, при которых она находится в виде аустенита, до низких, когда при достаточно быстром охлаждении она получает мартенситную структуру. Превращение аустенита в мартенсит идет неоднородно и неодновременно по сечению детали. Схематически процесс этог

1 Подкупили Г. В тылу все спокойно//Урал. 1974. № 8. С. 173.

представляется таким образомНаружные слои изделия приобретают мартенситное строение раньше внутренних, и металл на какой-то промежуток времени становится как бы двухслойным: снаружи мартенсит, внутри аустенит. Когда позднее по мере охлаждения внутренних слоев аустенит в них начнет превращаться в мартенсит и объем недр детали начнет расти, наружные слон мартенсита будут этому препятствовать. В итоге, наружные слои окажутся растянутыми, а внутренние – сжатыми. Это и есть внутренние напряжения. Таким образом, после термической обработки мы получили высокую твердость металла, но использовать ее затруднительно из-за огромной напряженности изделия, и, следовательно, возможного в любой момент разрушения.

Подобные же процессы, но в ином масштабе могут протекать при неоднородном распределении химических элементов по сечению изделия. Например, в условиях так называемой химико-термической обработки, заключающейся в насыщении поверхности металла каким-нибудь другим элементом. При этом в области высоких температур формируется аустенит иного химического состава, с иными скоростями и особенностями превращения в мартенсит.

На эти явления налагаются и внутренние напряжения, имеющие собственно термическое происхождение и образующиеся из-за неодинакового расширения и сжатия различных структурных составляющих при охлаждении и нагревании обрабатываемой детали.

Так или иначе, но термическая обработка стали генерирует довольно мощные напряжения, имеющие зачастую пространственный характер и приводящие к появлению в металле разнообразных трещин. Иногда это одинокие и глубокие трещины в изделиях сложной конфигурации, например во фрезах: иногда внутренние дугообразные разрывы, встречающиеся например, в цементированных сталях, то есть сталях, поверхность которых насыщена углеродом. Встречаются и другие виды разрушений – в форме, скажем, множества мельчайших трещин, покрывающих всю поверхность детали.

Чего уж хорошего, если в ответственной детали сто трещин. Ведь мы знаем: достаточно даже одной! Потому, что невозможно предсказать, как такая деталь по-

1 Малинкина Е. И. Образование трещин при термической обра» ботке стальных деталей. – М.: Машиностроение, 1965. С. 13-17.

ведет себя в напряженном рабочем состоянии. Поскольку дальновиднее предусмотреть худшее, можно ожидать разрушения за счет роста какой-то одной трещины, оказавшейся в наиболее «выгодном» положении. И тогда окажется справедливой печальная шутка, согласно которой у жертвы было обнаружено четыре раны: две из них смертельные, а две другие, к счастью, нет. Одним словом, трещины, возникающие при термической обработке, вредны и опасны.

Но, кроме того, существует ряд побочных причин, увеличивающих тревогу за обработанную деталь. Например, может оказаться, что величина приводящих к разрушению напряжений (создаваемых внешним или внутренним усилием) зависит от времени и убывает с его течением. В результате при длительном воздействии нагрузки прочность стали снижается в несколько раз. В некоторых сталях, в частности быстрорежущих, появление поверхностных трещин провоцируется так называемым обезуглероженным слоем, то есть поверхностной пленкой металла, из которой по тем или иным причинам «ушел» углерод. Стали, подвергаемые термической обработке, очень чувствительны к любым концентраторам напряжений (различным надрезам) на их поверхности и внутри материала. Это и понятно. Такой концентратор создает свое упругое (силовое) поле, суммирующееся с остаточными напряжениями и ведущее к преждевременному разрушению. Не последнюю роль играют и разнообразные избыточные фазы в стали, особенно расположенные по границам зерен. Часто они играют решающую роль в образовании трещин после закалки. Словом, серьезных причин много. Но бывают и несерьезные, приводящие тем не менее к серьезным последствиям.

Термическая обработка, в частности закалка стали, повышает ее механические свойства и поэтому совершенно необходима машиностроению. Но вместе с тем она вводит в металл трещины, смертельно опасные для конструкции. К счастью, есть многочисленные методы, позволяющие исключить появление трещин и сохранить тем самым преимущества, которые дает термическая обработка металла. Методы эти не всегда просты, но…

Одна закона грубая скрижаль равна для человека и металла: нужна борьба, чтоб сталью стала сталь…