Механизмы, микромеханизмы, карты разрушения

Механизмы, микромеханизмы, карты разрушения

Во всех случаях процессы повреждения и разрушения определяются материалом, напряженно-деформированным состоянием и средой. Необходимо идентифицировать микромеханизмы, способные вызвать разрушение, и определить области температур и напряжений, в которых эти механизмы действуют.

В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения: 1) отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием касательных напряжений.

В таблице (рис. 21) представлены соответствующие схемы для ряда испытаний.

Рис. 21. Схемы разрушения путем отрыва и среза

при различных механических испытаниях (по Я.Б.Фридману)

Для чистого железа, ферритных и аустенитных сталей, тугоплавкой керамики, а также льда можно выделить семь основных микромеханизмов разрушения: 1) раскол (cleavage), тип 1; 2) раскол, тип 2; 3) раскол, тип 3; 4) вязкое разрушение; 5) разрушение в результате внутризеренной ползучести (transgranular creep fracture); 6) разрушение в ре­зультате межзеренной ползучести (intergranular creep fracture); 7) плас­тический разрыв (rupture).

Рекомендуемые материалы

При особых обстоятельствах существуют еще два микромеханизма разрушения: динамический и диффузионный.

Важнейшей задачей является установление доминирующего механиз­ма при статическом или динамическом нагружении, особенно при одно­временном воздействии временных и циклических процессов, что, на­пример, типично для суперпозиции ползучести и усталости. Все детали и конструкции в целом содержат некоторые геометрические дефекты, например, пустоты (поры), маркировочные знаки и т.д. Все они вызы­вают концентрацию напряжений при нагружении.

В таких локальных областях зарождаются и начинают расти микро­скопические дефекты. С другой стороны, большие трещины могут за­рождаться уже в процессе обработки, например, при сварке из-за непроваров или возникновения остаточных напряжений. В результате, когда конструкция или деталь, содержащая такие врожденные дефекты, под­вергается нагружению, материал в области вершины трещины испыты­вает значительные деформации и трещины начинают распространяться по одному из микромеханизмов, которые будут подробно рассмотрены ниже.

Следует отметить, что чистота материала, вариации легирования, про­цесс изготовления, размер зерна, текстура лишь незначительно влияют на границы областей разрушения, показанные на прилагаемых картах механизмов. Конструкторы должны, помимо прочего, иметь в виду, что при прогнозировании долговечности и поведения реальных деталей на основе результатов лабораторных испытаний особое внимание следует удалять информации о режимах, так как, например, при высоких напря­жениях и температурах активны одни механизмы, а при низких –  дру­гие. Также необходимо учитывать возможность независимого накоп­ления двух видов повреждений в случае суперпозиции процессов, зави­сящих от времени и циклического нагружения.

Механизмы разрушения. Разрушение (Separation) материала происходит в результате зарожде­ния и роста (или увеличения числа) дефектов типа дислокации, пор и трещин. Эти дефекты могут приводить к хрупкому или вязкому разру­шению, усталости, разрушению в процессе ползучести, причем в одних случаях разрушение носит межзеренный, а в других – внутризеренный характер. Поэтому весьма важно уметь выделить доминирующий меха­низм.

На рис. 22 показан широкий спектр механизмов разрушения при низких и высоких температурах – от чисто хрупкого до чисто пласти­ческого.

Рис. 22. Классификационная схема механизмов разрушения:

1 - раскол; 2 - хрупкое межзеренное разрушение; 3 - вязкий рост пор;

4 -внутризеренный рост пор; 5 - межзеренный рост пор; 6 - разрыв в результате пластического сужения или среза; 7 - межзеренная ползучесть; 8 - порообразование;

9 - клиновидные трещины; 10 - рост пор но механизму степенной ползучести;

11 -разрыв в результате сужения при динамическом возврате или рекристаллизации.

В области низких температур (Т < 0,25 Т_пл) пластическое течение больше зависит от напряжения, чем от времени. При высоких температу­рах на деформацию в основном влияют температура и время, домини­руют процессы ползучести.

Хрупкое поведение. Хрупкое разрушение может происходить либо по телу зерна (раскол), либо по границам зерен. В этих случаях разрушаю­щее напряжение ниже предела текучести материала.

По мере повышения температуры и снижения напряжения течения возникает пластическая деформация, но разрушение может быть свя­зано только с микропластическими явлениями – образованием пор или клиновидных трещин, которые затем распространяются по границам зерен. Эти процессы требуют для своего развития значительного време­ни, и поэтому такой тип хрупкого поведения рассматривается как межзеренное разрушение при ползучести.

Пластическое поведение. При низких температурах могут быть опера­тивны несколько систем скольжения, что особенно характерно для ме­таллов с г-ц.к.-решеткой – Ag, Au, Pt, Al, Cu, Pb. В этом случае раскол становится невозможным и разрушение происходит за счет разрыва в результате сужения поперечного сечения до нуля при образовании шейки (сужение до точки, necking) или сдвига (сужение до лезвия, shearing off). При высоких температурах могут иметь место динамический возв­рат или рекристаллизация, которые приводят к накоплению деформаций и окончательному разрушению в результате уменьшения сечения, несу­щего нагрузку.

Переходная зона. Между двумя описанными крайними случаями хрупкого и вязкого разрушения возможны различные случаи ограничен­ного пластического течения, которое вызывает рост внутризеренных или межзеренных пор.

Микромеханизмы. На представленных ниже картах показаны области, в которых доми­нирует тот или иной микромеханизм. По осям этих карт откладывается нормализованная (по Т_пл температура и нормализованные (по модулю нормальной упругости Е, соответствующему температуре) напряжения.

За верхнюю границу напряжения принимается идеальная (теорети­ческая) прочность материала, примерно равная 0.1Е.

Рассматриваемые далее границы действия механизмов являются до­вольно условными, так как во многих случаях одновременное действие нескольких механизмов приводит к разрушению по смешанному типу.

1. Типы микромеханизмов

Раскол (тип 1). При достаточно низкой температуре пластическое те­чение снижается до минимума и разрушение происходит в результате быстрого развития врожденного (inherent) дефекта размером 2а. Раз­рушающее напряжение при этом

,

где G_с –  вязкость  разрушения, 2а – размер дефекта или наиболее длин­ной трещины.

Раскол (тип 2). Если ни один из дефектов не достигает критического размера, то в результате микропластической деформации (скольжения или двойникования) могут образоваться мелкие трещины, и разрушаю­щее напряжение будет равно

,

где d – размер зерна. Отметим, что здесь s_f > s_y (s_y  –  напряжение мик­ротечения) и деформация при разрушении e_f < 1 %.

Раскол (тип 3). С повышением температуры и снижением напряжения текучести могут развиваться значительные пластическое деформации (до 1—10 %), прежде чем произойдет внезапное катастрофическое разруше­ние в результате раскола. Пластическая деформация в этом случае вы­зывает возрастание G_с , а следовательно и s_f , в результате чего трещина притупляется, что может привести к стабильному росту трещины без катастрофического внезапного разрушения.

Весьма незначительные изменения текстуры, содержания примесей и температуры могут способствовать развитию либо внутри-, либо межзеренного разрушения; в дальнейшем будем называть первый случай расколом (типы 1, 2, 3), а второй –  хрупким межзеренным разруше­нием (BIF, Brittle intergranular fracture, 1, 2, 3).

Вязкое разрушение. Вязкое разрушение начинается с зарождения и быстрого роста внутризеренных пор. Отсюда следует, что оно опреде­ляется размером дефектов (поры, включения) и расстоянием между ними. Их росту способствует концентрация напряжений; наблюдающееся при этом слияние пор в области локального сужения ведет к разрушению.

Вязкое разрушение обычно идет по телу зерна, но если включения выделяются преимущественно по границам зерен, становится возмож­ным волокнистое вязкое межзеренное разрушение.

Твердые включения в мягкой матрице вызывают искажения локаль­ных полей напряжений, и создающиеся концентрации напряжений могут привести к разрушению включения или к его отделению (отрыву) от матрицы. Возникшая таким способом пора первоначально удлиняется со скоростью примерно в 2 раза превышающей скорость удлинения об­разца, но эта скорость постепенно уменьшается по мере того, как пора принимает эллипсоидальную форму. Окончательное разрушение проис­ходит, когда высота эллипсоида 2h приближается к величине расстоя­ния между порами 2l в результате локального сужения пластичной мат­рицы между порами. Исходя из этих предпосылок, можно показать, что деформация при разрушении пластичного материала равна

,

где f_n – объемная доля пор, a – постоянная материала, близкая к 1, С – разность скоростей деформации поры и матрицы.

Внутризеренное разрушение при ползучести. Если Т > 0,3 T_пл, металл деформируется посредством ползучести, развитие которой зависит от времени; напряжение течения зависит при этом от деформации. Прос­тейшее выражение для скорости деформации имеет вид  (сте­пенная ползучесть, power low creep), где В и п — материальные постоян­ные; поры зарождаются в этом случае внутри зерен. Однако вследствие того, что пластическое течение при температурах Т > 0,3 Т_пл  зависит от времени, оно может происходить при весьма низких напряжениях, и процесс зарождения пор оказывается длительным. Более того, может замедляться также и процесс слияния пор. В итоге разрушение оказы­вается зависящим от времени.

Межзеренное разрушение при ползучести. В условиях долговременно­го действия низкого напряжения и, соответственно, при больших долговечностях может развиваться межзеренное разрушение. В такой ситуа­ции проскальзывание по границам способствует зарождению пор и клиновидных трещин, нормальных к направлению действия растягивающего напряжения. Поведение материала в таком режиме с хорошим прибли­жением может быть описано уравнением , где – долговечность (время до разрушения), – скорость устано­вившейся ползучести. В основе этого соотношения лежит предположение о том, что разрушение происходит в результате степенной ползучести, которая контролирует зернограничное скольжение и, следовательно, зарождение пор, которое при этом занимает основную долю жизни металла. Если же основную долю жизни занимает процесс роста пор, то это контролируется диффузионными процессами, которые в свою оче­редь определяются степенной ползучестью окружающей матрицы.

Разрыв. Если все другие моды разрушения исключены, возможно зна­чительное пластическое сужение площади поперечного сечения. Зарожде­ние и слияние пор может оказаться подавленным динамическим возвра­том и рекристаллизацией. Деформация локализуется в шейке или в по­лосах сдвига и продолжается до тех пор, пока площадь поперечного се­чения не приблизится к нулю.

Динамическое разрушение. Это – мгновенное разрушение в результа­те быстрого приложения нагрузки, вызывающего образование в материа­ле упругих и пластических волн.

Чисто диффузионное разрушение. Это – предельный случай разруше­ния при межзеренной ползучести, имеющий место при низких напряже­ниях и высоких температурах, когда становится возможным долговре­менная диффузия дислокации. Этот случай разрушения возможен лишь в определенных случаях.

2. Карты разрушения

На рис. 23, 24 представлены примеры карт механизмов разрушения для разных материалов.

 Рис. 23. Карта механизмов разрушения никеля технической чистоты (г.ц.к.-решетка): 1 - динамическое разрушение; 2 - вязкое внутризеренное разрушение;

3 - внутризеренная ползучесть; 4 - разрыв (при динамической рекристаллизации);

 5 -разрушение в результате внутризеренной ползучести; б - клиновидные трещины; 7- поры

Рис. 24. Карта механизмов разрушения вольфрама технической чистоты

(о.ц.к.-решетка); d=100 мкм: 1 - динамическое разрушение; 2 - раскол типа 1;

3 - раскол типа 2 или BIF 2; 4 - раскол типа 3 или BIF3; 5 - вязкое разрушение;

 6 - внутризеренное разруше­ние в результате ползучести; 7 - разрыв; 8 - поры;

9 - клиновидные трещины; 10 - межзеренное разрушение в результате ползучести

Области разрушения, характеризуемые разными микромеханизмами, определяются обычно путем фрактографических исследований, но в некоторых случаях они могут быть найдены по рез­кому изменению  и . Карты справедливы лишь для уровней напря­жений, соответствующих скорости деформации ~10⁶ с^-1, т.е. для долговечностей порядка 10^-6 с, так как при более жестких условиях харак­терно разрушение за счет динамической деформации, при которой через металл распространяются упругие и пластические волны. Это не следует смешивать с быстрым разрушением при низких напряжениях материа­лов, имеющих врожденные острые и крупные дефекты.

Металлы г.ц,к. Карта (рис. 23), построенная на основе испытаний на растяже­ние никеля технической чистоты, является типичной для многих г.ц-к.-сплавов и металлов.

На карте выделено четыре области механизмов разрушения. При высо­ких напряжениях и низких температурах разрушение носит вязкий характер. По­вышение температуры приводит к ползучести и уменьшению разрушающего напря­жения. Быстрое разрушение происходит за счет внутризеренной ползучести аналогично вязкому разрушению, при этом мода пластической деформации изменяет­ся от скольжения до степенной ползучести. Однако само разрушение происходит в результате роста и объединения пор. При более низких напряжениях и, следователь­но, больших долговечностях доминируют процессы межзеренной ползучести, при­чем можно выделить две подобласти, в одной из которых основной причиной раз­рушения является зарождение клиновидных трещин, а в другой – преимуществен­ное образование пор по границам зерен. Для обеих форм межзеренной ползучести характерна низкая пластичность и разрушение после весьма малых деформаций. Зона перехода от внутризеренного разрушения к межзеренному на диаграмме заштрихована; здесь можно наблюдать разрушение смешанного типа.

Рекомендуем посмотреть лекцию "7.4 Оборона Северо-Западной Руси".

При дальнейшем повышении температуры ползучести сопутствует динамическая рекристаллизация, и разрушение происходит с образованием шейки или при суже­нии сдвигом до лезвия (chisel edge).

Легирование влияет на механизмы, а значит и на области их действия. Стабиль­ные дисперсные выделения подавляют рекристаллизацию и тем самым сдерживают разрушение, в то время как некоторые весьма чистые металлы могут разрушаться по механизму разрыва при комнатной температуре. При одновременном наличии дисперсных выделений и твердого раствора прочность возрастает и имеется тен­денция к расширению зоны разрушения по механизму межзеренной ползучести на области, в других ситуациях свойственные иным механизмам разрушения.

Металлы о. ц. к. На рис. 24 представлены детализированные характеристики раз­рушения вольфрама технической чистоты, который является типичным представи­телем о.ц.к.-металлов.

При наличии в образце внутренних дефектов происходит низкотемпературный раскол типа 1 без пластической деформации. Однако обычно трещины зарождают­ся в результате двойниковаиия или скольжения; в дальнейшем они распростра­няются по механизму либо внутризереиного раскола типа 2, либо BIF2. Уже не­большое повышение температуры делает возможным некоторое пластическое течение, так как предел текучести снижается при этом быстро, однако разрушение происходит расколом по типу 3, несмотря на повышение вязкости разрушения, о котором свидетельствует возрастание пластичности при разрушении е у примерно да 10 %. При Т > 0,3 Т_пл наблюдается вязкое разрушение при повышенных напря­жениях. И здесь снова небольшое снижение напряжения делает доминирующим процесс ползучести, хотя характер разрушения остается вязким.

При низких напряжениях характерна межзеренная ползучесть. В области 0,5 Т_пл  и s/Е = 10^-4 типичны клиновидные трещины, а при более низких напряжениях и одновременно высоких температурах разрушение связано с развитием пор; в об­ласти температур, близких к точке плавления, и относительно высоких напряже­ниях происходит разрушение разрывом.

Таким образом, как видно, процесс разрушения является чрезвычайно сложным, многоступенчатым, зависящим от условий, и это все проявляется как на субмикроскопическом и микроскопическом уровнях (физика, материаловедение, металлургия), так и на макроуровне (механика разрушения, конструкционная прочность). Механика разрушения преимущественно рассматривает феноменологические модели на макроуровне и поэтому не оперирует столь большим разнообразием физических механизмов и видов разрушения, а в качестве основных рассматривает хрупкое, квазихрупкое, упругопластическое и усталостное разрушения.