Виды и классификации разрушений

Виды и классификации разрушений

Разрушение представляет собой чрезвычайно сложный, многостадийный процесс, управляемый большим количеством факторов. В зависимости от изменяющихся условий можно получить весьма различные характеристики процесса разрушения. О сложности и неоднозначности явления свидетельствует тот факт, что общепринятого определения разрушения и общепринятой классификации видов разрушения.

В общем случае механическое разрушение может быть опре­делено как любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, в результате которого она утрачивает способность удовлетворительно выполнять свои функции. Основываясь на этом, вид разрушения можно определить как физический процесс или несколько взаимосвязанных между собой процессов, приводящих к разрушению.

Рассмотрим наиболее известные попытки классификации видов и типов разрушения.

Проф. Старки (W. L. Starkey) из Университета шт. Огайо пред­ложил систему классификации всех возможных видов разрушения. Эта система основана на учете трех факторов: (1) характера разру­шения, (2) причин разрушения и (3) места разрушения. Подробно эти факторы определяются ниже. Каждый отдельный вид разру­шения характеризуется тем, как проявляйся разрушение, что его вызывает и где оно происходит. Используя различные комбинации этих факторов, можно указать буквально сотни видов разрушения. Чтобы подробнее пояснить суть этой системы классификации, рас­кроем содержание каждого из этих трех факторов.

По характеру разрушения можно выделить четыре класса (при­чем некоторые из них могут состоять из подклассов):

1. Упругая деформация.

2. Пластическая деформация.

3. Разрыв, или разделение на части.

Рекомендуемые материалы

4. Изменение материала: (А) металлургическое; (В) химическое; (C) ядерное.

По причинам разрушения можно определить четыре класса:

1. Нагрузки: (А) установившиеся; (В) неустановившиеся; (С) циклические; (D) случайные.

2. Время процесса: (А) очень малое; (В) малое; (С) продолжи­тельное.

3. Температуры: (А) низкие; (В) комнатные; (С) повышенные; (D) установившиеся; (Е) неустановившиеся; (F) циклические; (G) случайные.

4. Воздействия окружающей среды: (А) химические; (В) ядер­ные.

По месту разрушения существует два типа разрушения: (А) объемное; (В) поверхностное.

Для точного описания какого-либо вида разрушения необходи­мо выбрать характеристики процесса из указанного перечня, не упуская из виду ни одного из трех основных факторов. Например, для описания разрушения в качестве характерного проявления можно выбрать пластическую деформацию, в качестве причин — установившуюся нагрузку и комнатную температуру, а в качест­ве типа — объемный тип разрушения. Таким образом, указанный вид разрушения можно определить как объемное пластическое де­формирование под действием установившейся нагрузки при ком­натной температуре. Такой вид разрушения обычно называется течением. Отметим, однако, что термин течение обычно определяет не только указанный вид разрушения: этот термин имеет более общий смысл.

Используя перечисленные классы и подклассы трех основных факторов, определяющих вид разрушения, можно дать определе­ние многих других видов разрушения. Приведенный перечень ха­рактеристик процесса разрушения нуждается в дополнительном пояснении и конкретизации, особенно применительно к наиболее опасным видам разрушения. Ниже перечислены двадцать три таких вида разрушения.

Нижеследующий перечень содержит наиболее часто встречающиеся на практике виды разрушения. Глядя на этот перечень, можно за­метить, что некоторые виды разрушения являются простым про­цессом, в то время как другие представляют собой сложные явле­ния. Например, в этом перечне в качестве видов разрушения ука­заны коррозия и усталость, а наряду с этим в качестве еще одного вида разрушения указана коррозионная усталость. Это сделано потому, что и коррозия, и усталость часто оказывают существен­ное влияние на поведение конструкций, причем механизмы их дей­ствия взаимосвязаны. Это означает, например, что при коррози­онной усталости коррозия ускоряет процесс усталости, а действие циклических усталостных нагрузок в свою очередь ускоряет про­цесс коррозии. В приведенном перечне содержатся все обычно на­блюдаемые виды механического разрушения.

1. Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и (или) температуры.

2. Текучесть.

3. Бринелирование.

4. Вязкое разрушение.

5. Хрупкое разрушение.

6. Усталость: (А) многоцикловая; (В) малоцикловая; (С) термическая; (D) поверхностная; (Е) ударная; (F) коррозионная; (Q) фреттинг-усталость.

7. Коррозия: (А) химическая; (В) электрохимическая; (С) ще­левая; (D) точечная (питтинговая); (Е) межкристаллическая; (F) избирательное выщелачивание; (G) эрозионная; (Н) кавитационная; (I) водородное повреждение; (J) биологическая; (К) коррозия под напряжением.

8. Износ: (А) адгезионный; (В) абразивный; (С) коррозионный; (D) поверхностный усталостный; (Е) деформационный; (F) ударный; (G) фреттинг-износ.

9. Разрушения при ударе: (А) разрыв при ударе; (В) деформи­рование при ударе; (С) ударный износ; (D) ударный фреттинг; (Е) усталость при ударе.

10. Фреттинг: (А) фреттинг-усталость; (В) фреттинг-износ; (С) фреттинг-коррозия.

11. Ползучесть.

12. Термическая релаксация.

13. Разрыв при кратковременной ползучести.

14. Тепловой удар.

15. Заедание и схватывание.

16. Откол.

17. Радиационное повреждение.

18. Выпучивание.

19. Выпучивание при ползучести.

20. Коррозия под напряжением.

21. Коррозионный износ.

22. Коррозионная усталость.

23. Ползучесть с усталостью.

Ниже дается краткое определение с соответствующими пояснениями видов механического раз­рушения.

Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и (или) температур. Этот вид разрушения имеет место, когда уп­ругая (обратимая) деформация элемента, возникающая при дейст­вии эксплуатационных нагрузок и температур, становится настоль­ко большой, что элемент утрачивает способность выполнять пред­назначенную ему функцию.

Текучесть имеет место, когда пластическая (необратимая) де­формация пластичного элемента, возникающая при действии экс­плуатационных нагрузок, становится настолько большой, что элемент утрачивает способность выполнять предназначенные ему функции.

Бринелирование, или разрушение вдавливанием, происходит, когда статические усилия в месте контакта криволинейных поверх­ностей приводят к появлению локальных пластических деформаций у одного или у обоих соприкасающихся элементов, в результате чего происходит необратимое изменение формы поверхности. На­пример, если шарикоподшипник статически нагружен так, что ша­рик вдавливается в обойму, пластически деформируя ее, то по­верхность обоймы становится волнистой. При дальнейшем исполь­зовании подшипника могут возникнуть недопустимые вибрации, шум и перегрев, т. е. налицо его разрушение.

Вязкое разрушение наблюдается, когда пластическая деформа­ция пластичного элемента достигает такой величины, что он раз­деляется на две части. Разрушение происходит в результате про­цесса зарождения, слияния и распространения внутренних пор, поверхность разрушения при этом гладкая и волнистая.

Хрупкое разрушение происходит, когда упругая деформация элемента из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части. Внутренние дефекты и образующиеся тре­щины быстро распространяются до полного разрушения; поверх­ность разрушения при этом неровная, зернистая.

Термин усталость применяется для обозначения разрушения в виде неожиданного внезапного разделения детали или элемента машины на две или более части в результате действия в течение некоторого времени циклических нагрузок или деформаций. Раз­рушение происходит путем зарождения и распространения трещи­ны, которая после достижения некоторого критического размера становится неустойчивой и быстро увеличивается, вызывая разру­шение. Нагрузки и деформации, при которых обычно происходит усталостное разрушение, намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях. Когда величины нагрузок и перемещений таковы, что разрушение происходит более чем через 10 000 циклов, явление обычно называется многоцикловой устало­стью. Когда же величины нагрузок и перемещений таковы, что разрушение происходит менее чем через 10 000 циклов, явление называется малоцикловой усталостью.

Когда циклические нагрузки и деформации возникают в дета­ли в результате действия циклически меняющегося температурно­го поля, явление обычно называется термической усталостью. Разрушение, называемое поверхностной усталостью, обычно про­исходит при наличии вращающихся контактирующих поверхнос­тей. Проявляется оно в виде питтинга, растрескивания и выкрашивания контактирующих поверхностей в результате действия контактных напряжений, под влиянием которых на небольшой глубине у поверхности возникают максимальные по величине циклические касательные напряжения. Эти напряжения приводят к возникновению трещин, которые выходят на поверхность, при этом некоторые частицы материала отделяются. Это явление часто считается разновидностью износа. Ударная усталость, коррозион­ная усталость и фреттинг-усталость будут описаны ниже.

Коррозия — термин, используемый для обозначения широкого класса видов разрушения, при которых деталь или элемент машины утрачивает способность исполнять свою функцию из-за нежела­тельной порчи материала в результате химического или электро­химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионное разрушение часто проявляется во взаимодействии с другими видами разрушения, такими, как износ или усталость. Среди многих типов коррозии отметим следующие. Химическая коррозия представляет собой, по-видимому, наиболее общий тип коррозии вследствие не­посредственного контакта поверхности детали с коррозионной сре­дой. Химическая коррозия происходит более или менее равномерно по всей открытой поверхности детали. Электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют часть элект­рической цепи, замыкаемой раствором или пленкой электролита или коррозионной средой.

Щелевая коррозия — в значительной степени локализованный быстропротекающий процесс в щелях, трещинах или стыках, т. е. в местах, где задерживаются малые количества раствора, соприка­сающегося с корродирующим металлом. Точечная (питтинговая) коррозия представляет собой локализованные воздействия, в ре­зультате которых происходит образование углублений и ямок на поверхности металла. Межкристаллическая коррозия характери­зуется локальными воздействиями на границах зерен некоторых медных, хромовых, никелевых, алюминиевых, магниевых и цинко­вых сплавов после неправильной термообработки или сварки. Об­разование локальных гальванических ячеек, в которых осажда­ются продукты коррозии, приводит к существенному снижению прочности материала в результате межкристаллической корро­зии.

Избирательное выщелачивание представляет собой коррозион­ный процесс, в результате которого из сплава удаляется какой-либо элемент. Примерами могут служить процессы обесцинкования латуни и графитизации чугуна. Эрозионная коррозия — это быст­ропротекающий химический процесс, при котором в результате воздействия абразивных веществ или потоков вязких материалов на поверхности материала постоянно в месте контакта с коррози­онной средой обнажается свежий незащищенный материал. Кавитационная коррозия наблюдается, когда под влиянием давления пара пузырьки и каверны в жидкости лопаются у поверхности сосуда давления, в результате чего удаляются частицы материала и открывается доступ коррозионной среде к свежему, незащищен­ному материалу.

Водородное повреждение, хотя само и не является какой-либо разновидностью коррозии, вызывается ею. К этому виду поврежде­ния относятся насыщение водородом, водородное охрупчивание и обезуглероживание. Биологическая коррозия представляет собой процесс коррозии вследствие активности живых организмов, а именно процессов поглощения ими пищи и выделения отходов. Отходами являются вызывающие коррозию кислоты и гидроокиси. Коррозия под напряжением — очень важная разновидность корро­зии (она будет отдельно рассмотрена ниже).

Износ является нежелательным процессом постепенного изме­нения размеров вследствие удаления отдельных частиц с контак­тирующих поверхностей при их движении, обычно скользящем, относительно друг друга. Износ является в основном результатом механического действия. Это сложный процесс, точнее даже ряд различных процессов, которые могут протекать как независимо, так и взаимосвязано. Результатом этих процессов является удале­ние материала с контактирующих поверхностей вследствие слож­ного взаимодействия локальных сдвигов, вдавливаний, сваривания материала, разрывов и других механизмов.

Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных давлений, сваривания между собой шероховатостей поверхностей, последующей пластической деформации, возникаю­щей при их относительном перемещении, разрушения локальных сцеплений шероховатостей, удаления или переноса металла. При абразивном износе частицы удаляются с поверхности в результате режущего или царапающего действия неровностей более твердой из контактирующих поверхностей или твердых частиц, задержав­шихся между поверхностями. Когда одновременно возникают усло­вия как для адгезионного, так и для абразивного износа и корро­зии, эти процессы взаимодействуют между собой и происходит кор­розионный износ.

Поверхностный усталостный износ представляет собой изнаши­вание вращающихся или скользящих относительно друг друга кри­волинейных поверхностей. При этом в результате действия цикли­ческих касательных напряжений на небольшой глубине у поверх­ности возникают микротрещины, выходящие на поверхность, отка­лываются макрочастицы материала и на поверхности образуются ямки. Деформационный износ происходит в результате повторного пластического деформирования изнашиваемых поверхностей, при­водящего к образованию сетки трещин, при росте и объединении которых образуются частицы износа. Деформационный износ часто наблюдается при действии ударных нагрузок. Ударный износ имеет место при повторном упругом деформировании в процессе действия ударных нагрузок, образовании сетки трещин, которые растут так же, как при поверхностной усталости. Фреттинг-износ описан ниже.

Разрушение при ударе происходит, когда в результате действия неустановившихся нагрузок в детали возникают такие напряжения или деформации, что деталь уже не в состоянии выполнить предназ­наченную ей функцию. Разрушение происходит в результате взаи­модействия волн напряжений и деформаций, являющихся следст­вием динамического или внезапного приложения нагрузок. Взаи­модействие волн может приводить к возникновению локальных напряжений и деформаций, во много раз превышающих возни­кающие при статическом приложении тех же самых нагрузок. Если величины напряжений и деформаций таковы, что происходит разделение детали на две или более частей, то налицо разрыв при ударе. Если удар приводит к возникновению недопустимых упру­гих или пластических деформаций, такое разрушение называется деформированием при ударе. Если при повторных ударах возникают циклические упругие деформации, в результате чего появляется сетка усталостных трещин, при росте которых наблюдается описан­ное ранее явление поверхностной усталости, то процесс называется ударным износом.

Если в результате малых относительных поперечных смещений двух поверхностей при ударе, которые могут вызываться попереч­ными деформациями или действием случайных малых боковых составляющих скоростей, происходит фреттинг, то разрушение называется ударным фреттингом. Усталость при ударе наблюдается, когда разруше­ние происходит при повторном действии ударных нагрузок вследст­вие образования и распространения усталостных трещин.

Фреттинг может происходить на поверхности контакта двух твердых тел, прижатых друг к другу нормальной силой и совер­шающих относительно друг друга циклические движения малой амплитуды. Фреттинг обычно имеет место в местах соединений, там, где движения не должно быть, но в результате действия вибрационных нагрузок или деформаций незначительные циклические смещения все-таки есть. Обычно отколовшиеся при фреттинге частицы материала задерживаются между контактирующими поверхностями, поскольку относительные смещения их малы.

Фреттинг-усталость представляет собой преждевременное усталостное разрушение детали машины, на которую действуют циклические нагрузки или деформации в условиях, способствующих фреттингу. Поверхностные повреждения и микротрещины, появляющиеся в результате фреттинга. играют роль зародышей усталостных трещин, в результате роста которых усталостное разрушение происходит при таких нагрузках, которые в других условиях не вызывали бы разрушения. Фреттинг-усталость – очень опасный и коварный вид разрушения, поскольку фреттинг обычно происходит в местах соединений, не доступных для наблюдения, и приводит к преждевременному или даже неожиданному (внезапному) катастрофическому усталостному разрушению.

Фреттинг-износ наблюдается, когда изменения размеров контактирующих деталей в результате фреттинга становятся недопустимо большими или такими, что появляются концентраторы напряжений и локальные напряжения превышают допустимый уровень. Фреттинг-коррозия происходит, когда в результате фреттинга свойства материала детали ухудшаются настолько, что она не может выполнять своих функций.

Разрушение в результате ползучести происходит, когда пластическая деформация элемента машины или конструкции, накопленная в течение некоторого времени действия напряжений и температуры, приводит к изменениям размеров, вследствие которых элемент не может удовлетворительно выполнять предназначенную ему функцию. Процесс ползучести, как правило, можно разделить на три стадии: (1) неустановившуюся, или первичную, ползучесть, во время которой скорость деформации уменьшается; (2) установив­шуюся, или вторичную, ползучесть, во время которой скорость деформации практически постоянна, и (3) третичную ползучесть, при которой скорость деформации ползучести увеличивается (час­то довольно быстро) вплоть до разрушения. Такой вид разрушения часто называется разрывом при ползучести. Произойдет или нет такое разрушение — зависит от характера изменения во времени напряжений и температуры.

Термическая релаксация наблюдается, когда в процессе ползу­чести, приводящей к релаксации предварительно напряженной или деформированной детали, ее размеры изменяются так, что де­таль уже не может выполнять предназначенной ей функции. На­пример, если предварительно напряженные болты сосуда давления, работающего в условиях высоких температур, релаксируют вследст­вие ползучести так, что нагрузка от максимального давления пре­вышает предварительную нагрузку и герметичность соединения нарушается, говорят, что болты разрушаются вследствие термиче­ской релаксации.

Разрыв при кратковременной ползучести тесно связан с процес­сом ползучести, однако при этом зависимость напряжений и темпе­ратуры от времени такова, что элемент разделяется на две части. При этом напряжения и температура, как правило, таковы, что период установившейся ползучести очень непродолжителен или совсем отсутствует.

Тепловой удар происходит, когда градиенты возникающего в детали температурного поля настолько велики, что вследствие пере­падов температурных деформаций начинается текучесть или разру­шение.

Заедание наблюдается в случае, когда на две скользящие друг по другу поверхности действуют такие нагрузки и температуры, а скорость скольжения, смазка и условия окружающей среды тако­вы, что в результате значительной пластической деформации шеро­ховатостей поверхностей, их сваривания, отламывания и царапающего действия происходит существенная деструкция поверхности и перенос металла с одной поверхности на другую. Заедание можно считать очень интенсивным процессом адгезионного износа. Когда указанные процессы приводят к значительному ослаблению сое­динения или, наоборот, к схватыванию, говорят, что соединение разрушается в результате заедания. Схватывание является, по существу, интенсивным процессом заедания, при котором контак­тирующие детали практически свариваются и их относительное перемещение становится невозможным.

Разрушение отколом происходит, когда от поверхности детали самопроизвольно отделяется часть материала, в результате чего нормальная работоспособность элемента машины утрачивается. На­пример, бронеплита разрушается в результате откола, когда при ударе снаряда о наружную поверхность бронезащиты в плите возникают волны напряжений, приводящие к отколу с внутренней стороны части материала, которая сама становится смертоносным снарядом. Другим примером разрушения отколом может служить разрушение подшипников качения или зубьев шестерен вследствие описанного ранее явления поверхностной усталости.

Разрушение вследствие радиационного повреждения означает, что при радиационном облучении произошли такие изменения свойств материала, что деталь уже не может выполнить своих функ­ций. Обычно эти изменения связаны с потерей пластичности в ре­зультате облучения и служат причиной начала процесса разруше­ния того или иного вида. Эластомеры и полимеры обычно более подвержены радиационному повреждению, чем металлы, причем прочностные характеристики последних после радиационного об­лучения иногда улучшаются, хотя пластичность, как правило, уменьшается.

Разрушение выпучиванием наблюдается, когда при некоторой критической комбинации величины и (или) места приложения на­грузки, а также формы и размеров детали ее перемещения или про­гибы внезапно резко увеличиваются при малом изменении нагруз­ки. Такое нелинейное поведение приводит к разрушению выпучива­нием, если потерявшая устойчивость деталь уже не может выпол­нять своих функций.

Разрушение вследствие выпучивания при ползучести происхо­дит, когда по истечении некоторого времени в результате процесса ползучести возникает неустойчивое состояние, т. е. нагрузки и геометрические параметры детали становятся такими, что теряется устойчивость и происходит разрушение.

Разрушение в результате коррозии под напряжением наблюда­ется, когда действующие напряжения приводят к возникновению локальных поверхностных трещин, располагающихся обычно вдоль границ зерен, в детали, находящейся в коррозионной среде. Часто образование трещин инициирует начало процессов разрушения других видов. Разрушение в результате коррозии под напряжением представляет собой очень опасный вид коррозионного разрушения, поскольку ему подвержены многие металлы: Например, разнооб­разные чугуны, стали, нержавеющие стали, медные и алюминиевые сплавы подвержены коррозионному растрескиванию под напряже­нием в некоторых коррозионных средах.

Разрушение вследствие коррозионного износа является сложным видом разрушения, при котором неблагоприятные последствия коррозии и износа приводят совместно к потере работоспособности детали. В процессе коррозии часто образуются твердые абразивные частицы, которые ускоряют изнашивание, а в процессе изнашива­ния в свою очередь с поверхности постоянно удаляются защитные слои и обнажается свежий металл, что ускоряет коррозию. Взаимное влияние этих процессов друг на друга существенно повышает опас­ность разрушения.

Коррозионная усталость представляет собой сложный вид раз­рушения, при котором совместно сказываются неблагоприятные эффекты коррозии и усталости, приводящие к разрушению. В про­цессе коррозии на поверхности металла часто образуются ямки, служащие концентраторами напряжений. В результате концентра­ции напряжений процесс усталостного разрушения ускоряется. Кроме того, трещины в хрупком слое продуктов коррозии служат зародышами усталостных трещин, распространяющихся в основ­ной металл. С другой стороны, в результате действия циклических напряжений или деформаций происходит растрескивание и от­слаивание продуктов коррозии, т. е. открывается доступ коррози­онной среде к свежему металлу. Таким образом, оба процесса уско­ряют друг друга, и опасность разрушения может быть очень боль­шой.

Разрушение вследствие ползучести с усталостью является видом разрушения, происходящего в условиях, вызывающих одновремен­но и усталость, и ползучесть. Взаимодействие процессов ползучести и усталости изучено пока недостаточно, но, по-видимому, оно синергично.

Еще одна распространенная классификация – классификация Я.Б.Фридмана. Первый классификационный признак в этой таблице – характер силового воздействия – является наиболее формальным, но в то же время он достаточно четко делит процессы разрушения на несколько видов, которые следует рассматривать раздельно. В пределах каждого из этих видов разрушения, конечно, необходимо подразделение по другим используемым в классификации признакам. Так, кратковременное однократное статическое разрушение может быть хрупким и пластическим (вязким), соответственно может изменяться ориентировка макроскопической поверхности разрушения и размер зоны пластической деформации. Трещина может проходить преимущественно по телу или, наоборот, по границам зерен; могут быть зафиксированы различные стадии процесса (начальное, развитое, полное разрушение), возможно одновременное воздействие среды и т.д.

Возможны и другие классификации видов разрушения.