Mechanical Stability and Brittleness of Metals and Alloys. Pt. 1. Parameters and Criteria of the Stable State

Yu. Ya. Meshkov, G. P. Zimina

Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина

Получена: 27.03.2023; окончательный вариант - 13.04.2023. Скачать: PDF

This article considers the problem of brittle fracture of steels due to stress raisers (SRs), including cracks, at low test temperatures. The authors consider the ductile-to-brittle transition at the critical temperature of fracture of specimens with SRs, $T_{C}$, as a mechanical instability of the ultimate strength, $\sigma_{NF}$, at fracture of above specimens below the yield stress of metal, $\sigma_{0.2}$. The mechanical strength stability of metal materials is provided by ductility, which is manifested within the strain-hardening range between the yield stress $\sigma_{0.2}$ and true fracture stress SK as the break resistance index $B_{r}$ = $S_{K}$/$\sigma_{0.2}$ at ductile break in specimen ‘neck’. The stress raiser localises the entire margin of mechanical stability of metal, $B_{r}$, in the ductility zone, which causes the macroscopic brittle behaviour of specimen at temperatures $T$ $\leq$ $T_{C}$, where strength of the specimen with SRs is $\sigma_{NF}$ $\leq$ $\sigma_{0.2}$. Dependence of the critical level, $B_{rс}$, at $T_{C}$ on both the margin of mechanical stability of strength, $B_{r}$, and the SR type is ascertained. Effectiveness of the embrittlement effect of various SR types (notches and cracks) is considered using the example of armco-iron ($\alpha$-Fe), as well as of structural steels over both a wide strength range ($\sigma_{0.2}$ = 150-1500 MPa) and ductility range ($\Psi_{K} \approx$ 10-83%). It is shown that the critical parameter of mechanical stability margin, $B_{rс}$, may become a key tool for ranking structural alloys in practical materials science, when certifying these alloys for their use in products containing structural stress raisers or fatigue cracks.

Ключевые слова: strength, brittleness, mechanical stability, stress raiser, strength stability, strength stability margin, concentrator efficiency.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v45/i08/1029.html

PACS: 46.50.+a, 62.20.fk, 62.20.fq, 62.20.mj, 62.20.mm, 62.20.mt, 81.40.Np


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. A. N. Stroh, Proc. Roy. Soc. London A, 223, No. 1154: 404 (1954). Crossref
  2. Ю. Я. Мешков., С. А. Котречко, А. В. Шиян. Механическая стабильность металлов и сплавов (Киев: Наукова думка: 2014).
  3. С. А. Котречко, Ю. Я. Мешков, Проблемы прочности, № 2: 55 (2009).
  4. В. Н. Грищенко, Ю. Я. Мешков, Ю. А. Полушкин, А. В. Шиян, Металлофиз. новейшие технол., 37, № 7: 961 (2015).
  5. Ю. Я. Мешков, А. В. Шиян, Сталь, № 4: 46 (2018).
  6. Ю. Я. Мешков, А. В. Шиян, Сталь, № 12: 52 (2019).
  7. А. В. Шиян, Ю. Я. Мешков, Металлофиз. новейшие технол., 41, № 6: 775 (2019). Crossref
  8. Ю. Я. Мешков, Г. А. Пахаренко. Структура металла и хрупкость стальных изделий (Киев: Наукова думка: 1985).
  9. Р. Петерсон. Коэффициенты концентрации напряжений (Москва: Мир: 1977) (пер. з англ.).
  10. Г. Н. Савин, В. И. Тульчин. Справочник по концентрации напряжений (Киев: Вища школа: 1976).
  11. П. Ф. Кошелев, С. Е. Беляев, Прочность и пластичность конструкционных материалов при низких температурах (Москва: Машиностроение: 1967).
  12. А. В. Шиян, Физическая природа локального напряжения хрупкого разрушения сталей и сварных швов (Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук) (Киев: Институт металлофизики АН УССР: 1990).