Гуляев А.П. - Металловедение 1986 (Гуляев А.П. - Металловедение), страница 15

Показано, что при нагревании перед фазовым превращением или плавлением происходят значительные изменения свойств, без изменения структуры, например, модуль нормальной упругостя снижается в 2 — 3 раза; в) мартенситная сверхпластичность (рис. 50, в); при так называемом мартепситном (сдвиговом, бездиффузионном) превращении наблюдается повышенная пластичность (см. ниже); г) рекристаллизационная сверхпластичность. Выше температуры рекристаллизации упрочнение не возникает (так называемая динами- с'с Рие. ЬО.

Ввим еверхилаетиеиоетк: елаомвме лииак — ямки«евах илаеткевоетю штриховые — сверх плаеткеиость: а — мелкояереииая; Ь вЂ” субк ркткееекая: е — мартеиектиея ческая рекристаллизаг)ия), но степень деформации ограничивается развивающейся деструкцией (порообразованием) и локализацией деформации. Однако, если лишь незначительно превзойти температуру рекристаллизации и деформировать медленно, то образования шейки и пор не наблюдается равно как и деформационного упрочнения; поэтому в этих условиях возможна значительная деформация. В дальнейшем с использованием сверхпластичности мы познакомимся при рассмотрении некоторых сплавов. 4. разрушение Из сказанного в предыдущих разделах этой главы следует, что от металла, как конструкционного материала, требуется не только высокое сопротивление деформации (упругой, характеризуемой модулями Е и сг; пластической — пределами аеш и а,), но и высокое сопротивление разрушению.

Обычно сопротивление деформации объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению — надеясностп. Укажем, что если разрушение происходит не за один, а за многие акты нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение ', то это характеризует долговечность материала. ' Сюда относятся такие процессы постепенного рв»рушенни. как износ, усталость, корро»ня, пол»учесть.

аб Очевидно, высококачественный конструкционный материал должен быть одновременно прочным, надежным и долговечным. Как же происходит разрушение) Если материал пластичен, то превышение определенного уровня напряжения (так называемые силы Пайерса — Йабарро) приводит в движение дислокации, которые скапливаются у каких-то непреодолимых для них препятствий (включения, границы зерен и др.) (см. рнс.

46). При большом скоплении дислокаций зти зоны вообще становятся неспособнымн к пластическому дсформнрованию и дальнейший рост напряжений ведет в этом месте к образованию микротрещин. Можно констатировать, что дефекты строения н несплошности являются концентраторами напряжений, т. е. по краям дефекта напряжения могут значительно отличаться от среднего.

Концентрация напряжения (т() Рнс. 51. Конпентреторм непременна н устье дееекте !щтрнноеме аннан оср~ й ) гс ) Гс', О (гт (ге): и — трещина: б — острый надрее; е — смпгкнйе надрез тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой: К = 2 )т Ф, где 1 — длина дефекта: г — радиус закругления в вершине дефекта. Не только внутренняе дефекты, но и поверхностные, в том числе надрезы реэ.

иой длины (О к остроты (г) способствуют концентрации напряжений (рис. 61). Величина г может быть очень малой, т. е. трещина очень острая,но она не мо. жст быть меньше О,! нм, т, е. меньше, чем диаметр атома, и надо полагать, что минимальный радиус трещин составляет примерно !0 нм (!О е мм). Отсюда для такой предельно острой трещины величина К составляет к 1, мм 600 200 60 1 0,1 0,01 Это значит, что еслнтакая предельноостраятрещннадоросладо 1 мм, то в ее вершинах напряжение в 600 раз больше среднего. Если принять теоретическую прочмость на отрыв отпор Е/10 = 21000 МПа, то при среднем напряжении всего лишь 100 МПа в устье трещины (1 = 0,1 мм) воэникаег напряжение, равное теоретической прочности, н разрушение произойдет путем отрыва одних слоев атомов от других. Начавшийся лавинный процесс разрушения будет протекать до тех пор, пока трещина не разделит металл на два куска или более, так как по мере роста длины трещины, что следует из приведенного выше уравнения, требуется все меньшее и меньшее напряжение.

Из описанного вытекает, что разрушение яронсходит путем образования тре. Шины и ее роста до критической величины (критическая трещина характеризуется 'там, что в ее устье напрюкенне достигает значения теоретической прочности). аб Описанный механизм характеризует так называемое хрупкое разрушение. Хрупкому разрушению предшествует пластическая деформация до достижения трецнны критического размера и затем хрупкое безднслокационное разрушение. Начавшееся хрупкое разрушение является самопроизвольным процессом; накопленная в системе энергия поддерживает процесс лавинообразного хрупкого разрушения, затрата энергии на образование новых поверхностей меньше, чем освобождающаяся прн этом упругая энергия.

А. Грнффитсом было установлено, что существует некоторая критическая длина трещины, назовем ее первой критической н обозначим через 1,, рост которой происходит самопроизвольно н сопровождается уменьшением энергии в системе. Как было сказано выше, для того чтобы трещина двигалась, кроме энергетических условий (уменьшение энергии в системе), требуется н достижение определенного напряженая в устье трещины, что достигается при втором критическом ее размере — 1е. Ввиду того, что в металлах трещина не предельно остра, определяет хрупкую прочность вторая иритнческая длина дефекта. поскольку (е ~ (», для стекла 1е=1» илн разница между 1с н 1» не так велика. Это количественная, но не прнйцнпиальная разница хрупкого разрушения стекла н металла.

Ю Ю Важным для описанного выше механизма хрупкого разрушения металлов, является достижение в устье трещины напряжения равного грешнем теоретической прочности. Это условие будет выполнено, если по мере развития трещины последняя будет острой. Если трещина будет раскрываться и радиус в ее вершине увеличиваться, т. е. не только 1, во н г будет расти, то для ее движения будет требоваться все болыпее и большее напряжение (есля дробь !/г будет уменьшаться).

В этом случае трещине так и не достигнет критического размера, хотя может распространиться на все сечение. Такое разрушение является виним. Каковы основные показатели, которые позволяют отнести разрушение к хрупкому или вязкому типу. Для хрупкого разрушения типична острая (рис. 52, а), часто ветвящаяся трещина, большая скорость ее распространения (примерно 0,1 — 0,7 ог скорости звука) н отсутствие пластической деформации при ее распространенкн. Трещина движется за счет накопленной упругой энергии. Для вязкого разрушения характерна тупая. раскрывающаяся трещина (рис. 52, б), малая скорость ее распространенна и значительная пластическая деформация металла при ее продвижении.

Вид разрушения — вязкий илн хрупкий определяют в результате изучения изломов (фрактография). На рнс. 22 были показаны два вида излома — вязкий »волокнистый» и хрупкий «кристаллический». Первый вид излома свидетельствует, что для разрушения требовалась определенная работа и металл имеет хорошие свойства; второй — что само разрушение произошло почти мгновенно без затраты большой работы и металл ненадежный. Прн электроннсмикроскопическом исследовании вязкое разрушение характеризуется ямочным строением излома (рис.

23), Ямки в изломе — результат пластнчесной деформации, вызванной движением тупой трещины. Хрупкое разрушение характеризуется ручьистым изломом. Плоские фасетки указывают на отрыв одной части кристалла от другой. Раньше были рассмотрены два крайних случая. В действительности в металлах не бывает ни чисто вязкого, нн чисто хрупкого разрушения. В первом можно найти следы хрупкости (вязкое разрушение происходит путем образования пор, перемычки же между ними могут разрушаться путем отрыва, т. е.

хрупко, рис. 53, б) а во втором — следы пластической деформации (перескок с одной на другую плоскость, рис. 53, а). Поэтому когда говорят о вязком или хрупком разрушении металла, это значит, что явно превалирует один из описанных механизмов. Весьма часты случаи смешанных разрушений; методом фрактографии можно определять долю того и другого вида. Например, если волокна в изломе составляют йй 30% (обоаначается через 30% В), это аначнт 30% сечения разрушилось вязко, а 70% — хрупко.