Сущность современных представлений о физике процесса разрушения

2. Сущность современных представлений о физике процесса разрушения

Все основные физико-механические характеристики материалов, такие, как сопротивление различным видам пластической деформации и разрушению, развитие трещин, сопротивление усталости, относят к струк­турно-чувствительным характеристикам. Структура материала определя­ет уровень перечисленных свойств, но в разных областях нагружения по-разному.

В области упругих деформаций, когда нагрузки не превышают предел пропорциональности материала (область действия закона Гука), структура материала в меньшей степени влияет на свойства металлов. В области пластических деформаций это влияние более существенное. Условно различают макро-, микро- и субмикроструктуру металлов.

Макроструктура  –  это то, что можно наблюдать на отшлифованных и протравленных образцах металла невооруженным глазом или при 25-кратном увеличении. В большинстве случаев макроструктура пред­ставляет собой направленные волокна, образующиеся после отливки или проката металла. Поверхности изломов также могут характеризоваться макроструктурными признаками. Даже длительное воздей­ствие рабочих нагрузок не оказывает заметного влияния на макрострук­туру металлов. Она может видоизменяться лишь при интенсивном си­ловом воздействии, заметно превышающем характеристики  устойчи­вости, податливости, ударной стойкости и т. д.

Основным элементом микроструктуры металлов является зерно (кристаллит), состоящее из блоков монокристаллов. Размеры этих бло­ков колеблются от 10^-5 до 10^{-1 см. К мелкозернистым материалам относятся высокопрочные конструкционные стали, а наибольший размер зерен имеют литые жаропрочные сплавы. К элементам микроструктуры, влияющим на большинство характеристик прочности, относятся также межзеренные границы металла.}

Зерна, блоки монокристаллов, межзеренные границы большинства материалов способны постепенно видоизменяться в процессе работы. Эти изменения можно наблюдать при микроскопических исследованиях структуры (увеличение 100 . . . 400 крат). Например, если металл испы­тывает длительное время постоянно приложенную растягивающую на­грузку в пределах деформаций, близких к пределу пропорциональности, то можно наблюдать постепенное увеличение размеров зерен, их ориен­тацию в направлении главного вектора напряжений, а также некоторое расширение межзеренных границ.

Длительное воздействие повторно-переменных нагрузок в упругой области может приводить к уменьшению размеров зерен (к увеличению плотности упаковки). Повышение температуры интенсифицирует отме­ченные процессы. В определенных условиях можно наблюдать рост но­вых "субзерен", проявление линий скольжения в кристаллите (особенно типично для жаропрочных сплавов). Отмеченные процессы могут су­щественным образом влиять на физико-механические характеристики. Причем, как будет показано ниже, это влияние неоднозначно.

Наблюдать структуру моноблока можно лишь при сравнительно больших увеличениях (500... 1000 крат). Эту задачу решают с помощью специальных металлографических или электронных микроскопов. При упомянутых увеличениях структура монокристалла имеет вид твердого раствора (основной металл) с вкраплением различной формы упрочняю­щих и разупрочняющих компонент (фаз). Число и соотношение этих фаз в твердом растворе определяет склонность металла к повреждению ра­бочими нагрузками.

Вид нагружения и морфологические признаки элементов микро­структуры на электроннограммах взаимосвязаны.

Рекомендуемые материалы

Число и соотношение упрочняющих и разупрочняющих фаз в рабо­тающем материале не остаются постоянными. При расчетном уровне нагружения эти фазы, имеющие, как правило, довольно сложный хими­ческий состав, претерпевают изменения. Непрерывно идут процессы роста, а также коагуляции и растворения фаз в твердом растворе, что отражается на прочностных свойствах материала конструкций.

Особенно интенсивно фазовые трансформации происходят в метал­лах при воздействии нерасчетных нагрузок.

На рис. 5 схематически изображена электроннограмма микро­структуры жаропрочного сплава ХН77ТЮР, из которого изготавливают лопатки турбин ГТД, до и после воздействия повышенных температур. Видно (рис. 5, б), что произошла коагуляция и частичное растворение в основном металле интерметаллидной упрочняющей фазы Ni₃ (Al, Ti) или так называемой g-фазы, что существенно снизило жаропрочность сплава.

В то же время надо отметить, что фазовые превращения в металлах могут иметь обратимый характер. Например, первоначальную структуру (рис. 5, а) можно получить последующим воздействием на повреж­денный материал расчетных рабочих температур, что восстановит сплав практически до уровня исходных свойств.

Рис. 5. Схематическое изображение микроструктуры (х 750) жаропрочного сплава в исходном состоянии (а) и в состоянии перегрева (б): 1 – твердый раствор; 2 - g-фаза

При увеличении свыше 10³ крат проявляются фрагменты субмикро­структуры. Субмикроструктура отражает вид и форму кристаллических решеток металла.

Непосредственно наблюдать кристаллические решетки металла еще не приходилось. Это и неудивительно, ведь кристаллическая решетка в известной мере схематична (рис. 6). Межузловые связи в том виде, как их отображают на рисунках, в природе отсутствуют. Линии, соеди­няющие атомы, лишь символизируют наличие сил межатомного взаимо­действия. С помощью современных технических средств можно оцени­вать параметры кристаллических решеток, а также степень их деформа­ции. Эти измерения выполняют методом просвечивающей электронной микроскопии.

Рис. 6. Единичные ячейки 14 типов пространственных решеток:

1 – триклинная простая; 2 – моноклинная простая; 3 – моноклинная базоцентрированная; 4 – ромбическая простая; 5 – ромбическая базоцентрированная; 6 – ромбическая объемноцентрированная; 7 – ромбическая гранецентрированная; 8 – гексагональная; 9 – ромбоэдрическая; 10 – тетрагональная простая; 11 – тетрагональная объемноцентрированная; 12 – кубическая простая; 13 – кубическая объемноцентрированная; 14 – кубическая гранецентрированная

Существенное влияние на повреждаемость оказывают несовершенства кристаллических решеток, называемые дислокациями. Показано, что форма, число и плотность дислокации могут оказаться не менее важными в механизме повреждаемости конструкций, чем макро- и микроструктура.

Для оценки особенностей трансформации субмикроструктур необходимо знать, что такое "дефект кристаллической решетки". При­мером дефекта решетки является вакансия (рис. 7, а),  незанятое место решетки или межузельный (внедренный) атом (рис. 7, б). Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты кристаллических решеток.

1.

2. Рис. 7. Дефекты кристаллической решетки материала:

3.  а – вакансия; б – межузловой атом в кристалле

Пространственное расположение атомов в узлах кристаллической решетки определяется следующим свойством: если О — некоторый узел решетки, то вектор 00₁, связывающий О с произвольным узлом, определяется соотношением

,

где - векторы трансляции, т.е. смещения, соединяющие узел О с ближайшими атомами по трем осям; n_i – целые числа.

Дислокация — это специфический линейный дефект кристаллической решетки, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей (рис. 8). Если одна из плоскостей обрывается (рис. 8, б), то ее край образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией. В природе существуют также винтовые дислокации и всевозможные комбинации краевых и винтовых дислокации.

Рис. 8. Конфигурация атомных плоскостей:

а – идеальный кристалл; ; б –краевая дислокация

Важной характеристикой дислокации является контур Бюргерса, косвенно определяющий размеры и ориентировку дислокации в кристал­ле (рис.9, 10). Звенья этого контура совпадают с так называемыми век­торами трансляции. Контур Бюргерса можно строить, начиная с произвольно взятого узла последо­вательными шагами (от узла к узлу). Оказывается, что контур, по­строенный вокруг дислокации, не замыкается. Вектор b назы­вают невязкой, или вектором Бюргерса, который всегда постоянен вдоль линии дислокации.

Рис. 9. Геометрическое представление винтовой и смешанной дислокации

Рис. 10. Контуры Бюргерса для краевой и винтовой дислокаций

Если материальное тело находится под нагрузкой, то дислокации могут двигаться. Существует аналогия движения дислокаций передвижению дождевого червя и змеи (рис. 11). Они скользят по поверхности земли, перемещая свое тело частями, аналогично нашим представлениям о движении дислокаций. У дождевого червя участок, с которого начинается перемещение всего тела, находится у головы, у змеи – у хвоста, хотя оба передвигаются в одну сторону. В обоих случаях участки, через которые прошла волна возмущений, восстанавливают исходную форму.

Еще один пример – тяжелый ковер, лежащий на полу, очень трудно сдвинуть, прикладывая к нему силу. Гораздо легче образовать сначала складку и передвигать ее, пока складка не схлопнется, дойдя до другого края ковра. Окончательным итогом в обоих случаях будет смещение всего ковра.

Скольжением дислокации называется ее движение по атомной плос­кости, параллельной вектору Бюргерса (рис. 12). Как правило, сколь­жение дислокации всегда сопровождается пластической деформацией материала (рис. 13). Переползание дислокации — это перемещение краевой дислокации по нормали к плоскости скольжения (рис. 14). Любое перемещение дислокации в материале может быть сведено к скольжению или переползанию. Этот процесс зависит от уровня дей­ствующих нагрузок и внутренней энергии деформирования.

Рис. 14. Схематическое изображение деформации кристалла при переползании

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Теле- и радиореклама.

Важно отметить одно обстоятельство, свидетельствующее о необя­зательности снижения, например, прочности материала с увеличением числа дислокации. На рис. 15 изображен кристалл с двумя краевыми дислокациями, развивающимися в противоположных направлениях. В силу перечисленных свойств "положительная" и "отрицательная" крае­вые дислокации, лежащие в одной плоскости скольжения, могут встре­титься и образовать полную атомную плоскость. При этом обе дислока­ции исчезают, а прочность кристалла возрастает

Рис. 15. “Положительная” и  “отрицательная” краевые дислокации,

способные к самоупорядочению кристалла

Подвижность субмикроструктуры обусловлена избыточностью энер­гии, заложенной в материал при силовом и температурном воздействии в процессе изготовления. Освобождение этой энергии происходит под воздействием эксплуатационного нагружения. В процессе движения субмикроструктуры дефекты низшего порядка притягиваются дефектами высшего порядка. Например, объемные дефекты могут притягивать поверхностные, а они в свою очередь – линейные и точечные дефекты.