Однако в реальных конструкциях, где используются металлические детали значительных габаритов, помимо несовершенств кристаллической решетки на прочность металла будут влиять и другие факторы. Вклад некоторых факторов в реальную прочность стали в какой-то мере может быть установлен из анализа выражения Холла— Петча [35]:

о, = о1 + КусГ1/\ (1.1)

где 0Т — предел текучести металла; с,- — напряжение трения; й — средний диаметр зерна или субзерна; Ку — константа зерно-граничного упрочнения. Из уравнения (1.1) следует, что прочность металла зависит от размера зерна и что чем меньше этот размер, тем выше прочность стали.

На изменение механических свойств металла значительное влияние оказывают легирующие добавки, которые независимо от того, растворяются они в решетке железа по принципу замещения или внедрения, повышают величину а(, а значит, и 0Т. Повышение значения о(- вызывает и выделение дисперсных частиц. Однако в зависимости от типа выделяемых частиц, их размеров и расположения ленень эгого влияния можег быть различной. Об этом, в частности, свидетельствуют данные, приведенные в работе [100] и представленные на рис. 1.

Неметаллические включения, поры и трещины, присутствующие в металле, могут заметно повлиять на прочность металла. Поскольку эти дефекты практически всегда находятся в металле, вопросы влияния их на его конструктивную прочность имеют большое значение.

Разрушение любого материала — сложный кинетический процесс, который состоит из нескольких четко разделенных этапов: 1) зарождение трещины; 2) устойчивый рост ее до достижения критической длины; 3) нестабильное (спонтанное) развитие трещины.

Поскольку процесс разрушения начинается с образования зародышевой трещины, наличие в металле трещин является фактором, предрасполагающим к разрушению. Однако не всякие трещины могут стать причиной разрушения. Так, по данным работы [21, образцы из железа, в которых более 1 %

3,5 k,D 4,5 5,0 55 6,0 6,5 log средней длины свободного пробега 6 феррите, Ю'1Вм

Рис. I. Изменение предела текучести металла в зависимости от расстояния между дисперсными частицами:

/ — технически чистое железо; 2 — сталь.

У зерен были разрушены, с увеличением напряжения течение ■металла продолжалось обычным образом. Следовательно, наличие микротрещин, соизмеримых с размерами зерна, в этом случае не было достаточным для полного разрушения. Более того, для низкоуглеродистых сталей при работе изделия на растяжение неопасными являются трещины размером (2—2,5) • Ю-3 м [258]. Близкие к этим значения критической длины трещины получены экспериментально В. С. Ивановой с сотрудниками [95] при изучении усталостного разрушения металла. Было установлено, что критическая длина усталостной трещины 1ц зависит от величины предела усталости стали ат, и при изменении сш от 735 до 225 МПа значение 1$ соответственно изменяется от 0,9 до 2,5 • 10—3 м.

По данным [95], длина критической трещины уменьшается с увеличением степени легирования стали. Так, для чистого железа при значении жесткости напряженного состояния |лд = 0,58 /5 = 3 • Ю-3 м, а для стали с сЕ = 2156 МПа ¿5 = 126 мкм. Размер опасного дефекта 10, определяемый дли данного значения |Л£ из соотношения 10 = 0,Ш5, будет равен для чистого железа 0,33 • Ю-3 м, а для высокопрочной стали — 14 мкм.

Таким образом, не все трещины, возникающие в металле, могут вызвать разрушение, но чем выше прочность металла, тем меньше размеры допустимой трещины.

Появлению трещин в металле, а значит, и его разрушению могут способствовать неметаллические включения и поры, присутствующие в металле. Эти дефекты можно рассматривать как естественные структурные составляющие металла, характеризуемые весьма малой плотностью их распределения в объеме металла. В этом их принципиальное отличие от дисперсных частиц.

Разрушению всегда предшествует локальное пластическое течение металла, что приводит к возникновению основной доли концентрации напряжений, необходимых для образования и последующего роста трещины. При этом чем больше размер включения, тем больше и величина зоны пластической деформации (рис. 2).

Согласно [259], минимальный размер неметаллических включений, способных вызвать сосредоточенное пластическое течение, равен 1—5 мкм. Поэтому при статическом нагружении в области умеренных деформаций неметаллические включения такого размера будут неопасны, так как они не могут привести к образованию трещин, поскольку не вызывают пластических деформаций. В таких условиях будут неопасны и более круп-