Хрупкое и вязкое разрушение

Тема 2 Хрупкое и вязкое разрушение (2 часа)

         План лекции

1. Вязкое разрушение.

2. Условия зарождения и развития вязких трещин.

3. Образование центральной трещины.

4. Формы изломов при вязком разрушении.

5. Хрупкая трещина.

6. Формы изломов при хрупком разрушении.

7. Критерий Гриффитса.

Рекомендуемые материалы

Вязкое и хрупкое разрушение

Вязкое разрушение происходит после значительной пластической деформации (десятки процентов). Это наименее опасный вид разрушения, и ему уделяют не так много внимания, как хрупкому. Тем не менее анализ вязкого разрушения очень важен. Он позволяет, в частности, лучше понять механизм хрупкого разрушения и наметить меры его предотвращения. Вязкое разрушение важно при анализе поведения металлов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации, и разрушение, в том числе вязкое, недопустимо.

Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование “чашечного” излома в шейке растягиваемого образца. Шейка образуется после некоторого равномерного удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном объеме. Внутри шейки схема напряженного состояния усложняется по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин.

Чаще всего в технических металлах и сплавах реализуется первая схема зарождения трещин – у скоплений дислокаций вблизи барьеров: различного рода включений, которые всегда содержатся в технических металлах. Возможно также появление первых трещин внутри хрупких включений, которые разрушаются раньше, чем образуются достаточно мощные дислокационные скопления в матрице. Возникшие зародышевые трещины под действием напряжений начинают постепенно расти и по достижении микронных размеров уже легко выявляются при металлографическом анализе. На начальной стадии вязкого разрушения типичным является наличие множества мелких трещин (пор), концентрирующихся в основном в центральной части сечения шейки. По мере дальнейшего растяжения эти мелкие поры сливаются с образованием более крупных и в конце концов в центре шейки образуется сплошная трещина, плоскость которой в макромасштабе располагается нормально внешнему растягивающему усилию. Следовательно, образование этой центральной трещины – результат разрушения путем отрыва. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор путем разрыва перемычек между ними и основной трещиной.

Для того чтобы понять, почему разрушение на начальных стадиях локализуется в центральной части шейки, необходимо проанализировать распределение напряжений по сечению шейки. Вблизи центра образца все напряжения максимальны. Особенно велико здесь продольное растягивающее напряжение σ₁, в то время как касательные напряжения распределены гораздо более равномерно. В результате трещины возникают и развиваются в средней части сечения шейки, и здесь же происходит разрушение путем отрыва с образованием центральной трещины.

По достижении центральной трещиной периферийных слоев шейки все напряжения локализуются в этих неразрушенных периферийных участках. Скорость распространения трещины резко возрастает, меняется и направление ее развития. В стенках шейки действуют в основном продольные напряжения и соответственно касательные в плоскостях, наклоненных под углом ≈ 45⁰ к оси образца. Из-за локализации пластической деформации в плоскостях действия максимальных касательных напряжений дальнейшее разрушение идет путем среза. В результате центральная часть трещины образует “дно”, а периферийные – конусные “стенки” чашки излома. Как видно, незначительная пластическая деформация не только предшествует вязкому разрушению, но и продолжается в процессе его развития.

Кроме рассмотренного случая вязкого разрушения, возможно образование изломов другой формы. Последняя определяется геометрией образца, характером его деформации и степенью пластичности. Например, монокристаллы, а также поликристаллы высокоуглеродистой стали и некоторых металлов с низкой пластичностью могут при низких температурах вязко разрушаться без образования шейки, давая “плоскую” поверхность разрушения  после  сдвиговой  деформации  вдоль сечения  образца под углом ≈ 45⁰ к оси растяжения. Наоборот, при растяжении цилиндрических образцов с высокой пластичностью, в частности сверхпластичных, относительное сужение близко к 100 % и шейка превращается в точку. У аналогичных плоских образцов шейка вырождается в линию, располагающуюся под углом ≈ 45⁰ к оси растяжения. Вообще при вязком разрушении растягиваемых плоских образцов из-за локализации пластической деформации в плоскостях действия максимальных касательных напряжений часто получается излом, характерный для разрушения путем среза. Естественно, что при изменении схемы нагружения образца геометрия излома меняется.

Вне зависимости от макрогеометрии вязкий излом в шейке характеризуется рядом общих особенностей своей структуры. При визуальном осмотре невооруженным глазом он обычно матовый, неровный, часто со следами пластической деформации в виде грубых полос скольжения. Вязкое разрушение, как правило, бывает внутризеренным. Тонкую структуру излома выявляют с помощью фрактографического анализа – исследования структуры поверхности разрушения в световом и электронном (с помощью реплик) микроскопах. Фрактографический анализ, получивший широкое развитие в последние годы, дает важную информацию о механизме разрушения. Показан типичный пример микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных фасеток, каждая из которых сооответствует либо бывшей микропоре (трещине), либо перемычке между порами, которая разрушилась при их слиянии. На поверхности этих перемычек, а также на дне некоторых ямок (следов пор) часто видны линии скольжения, образовавшиеся при пластической деформации перед разрушением. На дне многих ямок выявляются частицы избыточных фаз (включений сульфидов), что как раз и служит доказательством возникновения большинства зародышевых трещин у этих включений.

На “стенках” чашечного излома наблюдаются сильновытянутые лунки, а также области, не имеющие характерных особенностей структуры. Эти области имеются также на поверхности “плоского” излома. Они являются результатом разрушения металла вдоль поверхности локализованного интенсивного сдвига.

Общего количественного критерия вязкого разрушения не существует. Для ограниченного интервала условий таким критерием может служить величина либо деформации, либо минимального нормального или касательного напряжения, достаточного для развития вязкого разрушения. С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее вязкого. Это наиболее опасный вид разрушения, идущий быстро и под действием сравнительно низких напряжений. Металлы и сплавы идеально хрупко, то есть без предварительной пластической деформации не разрушаются.

Хрупкая трещина при внутризеренном разрушении обычно распространяется вдоль кристаллографической плоскости с малыми индексами. При межзеренном разрушении хрупкая трещина в однофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а при наличии границ второй фазы – вдоль межфазной поверхности или вдоль поверхности скола внутри включений. В зависимости от характера распространения трещины структура поверхности разрушения получается различной. В целом структура поверхности скола резко отличается от вязкого излома. При простом осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз, расположенных по границам зерен. Под микроскопом видно, что внутрикристаллитный хрупкий излом не идеально гладок. На поверхности скола обычно имеются ступеньки, придающие структуре волнистый вид, так называемых “речных узоров”. В поликристаллических образцах вид этих узоров при переходе от зерна к зерну меняется. Каждая линия “речного узора” соответствует разнице в уровнях, то есть ступеньке на поверхности излома. В большинстве случаев хрупкое разрушение происходит путем распространения одной трещины. В этом случае причиной образования уступов может быть, например, пересечение трещиной винтовых дислокаций, которые располагаются на пути распространения фронта трещины. Если она развивается вдоль кристалла и встречает на своем пути, например, две винтовые дислокации, то после разделения кристалла на две половины поверхность каждой из них будет содержать две ступеньки переменной высоты.

В процессе развития трещины такие ступеньки могут укрупняться. В результате пересечения множества дислокаций возникают ступеньки, высота которых достаточна для их выявления при микроскопическом анализе.  Краевые дислокации  не могуть быть причиной образования ступенек; на малоугловых наклонных границах хрупкая трещина только меняет свое направление.

Хрупкое разрушение легче поддается количественному анализу. Для идеально хрупкого разрушения упругого тела, когда пластическая деформация совсем не идет, используется критерий Гриффитса;

,

где σ – наименьшее растягивающее напряжение, необходимое для распространения трещины как хрупкой;

         Е – модуль Юнга;

         γ – поверхностная энергия стенок трещины, отнесенная к единице ее площади;

         с – половина длины трещины.

         Критерий Гриффитса исходит из положения о том, что трещина распространяется, если увеличение γ меньше энергии деформации, высвобождающейся в результате роста трещины.

При хрупком разрушении металлов и сплавов до начала образования трещины и в процессе ее распространения идет пластическая деформация. В этих условиях γ в уравнении Гриффитса характеризует общую энергию, необходимую для увеличения единичной площади трещины. Сюда входит истинная поверхностная энергия и работа пластической деформации, которую необходимо затратить для развития трещины.

Основным условием для превращения трещины в “гриффитовскую” (которая распространяется как трещина скола) является ее достаточная длина и малая величина работы пластической деформации.

         Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Иванова В.С., Шанявский А.А. Количественная фрактография. – Челябинск: Металлургия, 1988. – 400 с.

4. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

5. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1], [2], [7], [10], [12]

В лекции "12. Защита гражданского населения" также много полезной информации.

1. Типы разрушения металлов.

2. Вязкое разрушение.

3. Хрупкое разрушение.

4. Критерий Гриффитса для хрупкого разрушения.

5. Переход из хрупкого состояния в пластическое.

6. Способы борьбы с хладноломкостью.