Почему зимой ломаются зубья ковшей и трескаются рамы? Охлаждай образец, отпускай маятник копра и строй кривую вязкости, чтобы найти порог, ниже которого сталь колется, как стекло.
Прочный металл не всегда надежен. Стекло прочное, но от удара разлетается. Сталь при комнатной температуре ведет себя вязко: перед изломом она мнется и тратит на это много энергии. Но у обычной стали с решеткой ОЦК есть подвох. На морозе, ниже некоторой температуры, она вдруг становится хрупкой и колется почти без работы. Это хладноломкость. Ее проверяют на маятниковом копре: тяжелый маятник с одного удара ломает брусок с надрезом, и по тому, насколько маятник не долетел, узнают поглощенную энергию.
Копер это весы для энергии. Маятник поднимают, отпускают, он ломает образец и взлетает с другой стороны ниже, чем стартовал. Числа под формулами берутся из последнего удара в опыте.
Сколько энергии ушло на излом?
Потенциальная энергия маятника до удара минус энергия после. Разница ушла на то, чтобы согнуть и сломать образец. Потери на трение в опоре малы, их учитывают холостым ходом.
Как сравнить образцы разной толщины?
Работу делят на площадь сечения под надрезом, где проходит излом. Стандартный образец 10 × 10 мм с надрезом 2 мм: под надрезом остается 10 × 8 мм.
Годится ли сталь для мороза?
Конструкция работает надежно, если самая низкая рабочая температура выше порога хладноломкости. Поэтому сталь испытывают при температуре эксплуатации: −40 °C или −60 °C для севера, и требуют KCV не меньше нормы.
Чтобы металл согнулся, в нем должны двигаться дислокации. В решетке ОЦК, как у обычной стали, им мешает сама решетка, и чем холоднее, тем сильнее: атомы меньше колеблются и неохотно пропускают сдвиг. Напряжение текучести с морозом растет.
А напряжение, при котором металл просто раскалывается по плоскостям кристаллов, от температуры почти не зависит. Пока текучесть ниже скола, металл сначала гнется: излом вязкий. Когда при охлаждении линия текучести поднимается выше линии скола, трещина бежит раньше, чем металл успевает согнуться. Это и есть порог хладноломкости.
Металлы с решеткой ГЦК (медь, алюминий, аустенитная нержавейка) хладноломкости не имеют: сдвиг у них легкий при любой температуре. А мелкое зерно, марганец и никель сдвигают порог стали в холод. Про решетки и зерно смотри тему «Кристаллическая решетка металла».
Зимой зубья чаще ломаются, чем стираются: твердая сталь на морозе теряет вязкость, а удар о мерзлую породу резкий. Поэтому для зимы берут сталь с гарантированной вязкостью при −40 °C.
Трещины в раме обычно идут от сварного шва или отверстия. На морозе такая трещина может пробежать за долю секунды. Для северного исполнения раму делают из сталей вроде 09Г2С.
Опоры, бункеры, эстакады проектируют по климатическому району. Для −40 °C и холоднее в проекте требуют сталь с KCV при −40 °C или −60 °C, а Ст3 там не применяют.
Зона у шва с крупным зерном самая хрупкая. На морозе ее надо подогревать перед сваркой и не допускать быстрого остывания. Подробнее в теме «Сварка и зона термического влияния».
В сильный мороз машины прогревают и работают плавнее: без ударов ковшом, без рывков при трогании. Лопнувшая рама или рукоять обходится намного дороже часа прогрева.
Во время Второй мировой войны часть американских сварных судов «Либерти» раскололась в холодной воде прямо у причала. Разбор этих аварий и сделал ударную вязкость обязательной проверкой.
Кривая вязкость–температура описана гладкой ступенькой между нижней и верхней полкой. Полки и пороги для каждой стали взяты типичные, у конкретной плавки они разбросаны на 10–20 °C и больше. Маятник считается без трения в оси и сопротивления воздуха, энергия излома вычитается целиком. Маятник 20 кг на плече 0,8 м дает до 294 Дж, как настоящий копер на 300 Дж. Если запаса энергии не хватает, образец в опыте не ломается, и маятник останавливается. Высота взлета считается по энергии, а не по реальной траектории. Доля вязкого излома пересчитана из той же ступеньки.