Разрушение материалов

Всякий процесс деформации по достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения начинается с образования трещин субмикроскопических размеров и заканчивается макроскопическим разделением образца на отдельные части. Ряд важнейших механических свойств металлов и сплавов характеризует их сопротивление разрушению, величину или работу деформации до разрушения.

Мы уже отмечали три вида напряжений: сжимающие (отрицательные нормальные), растягивающие (положительные нормальные) и касательные. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызвать разрушения. Оно происходит под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроспических теориях прочности различают два вида разрушения: 1) отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием касательных напряжений.

В таблице 4 представлены соответствующие схемы для ряда испытаний. Пользуясь этой таблицей, можно по внешнему виду разрушенных образцов определять вид разрушения. Однако эти схемы могут быть точно реализованы в том случае, когда заданная при нагружении схема напряженного состояния остается неизменной от начала испытания и до окончательного разрушения образца. На самом деле эта схема может меняться как в процессе пластической деформации (например, при образовании шейки), так и в процессе разрушения – в результате развития трещин. Поэтому вид разрушенных образцов часто отличается от приведенных в таблице 4. В таких случаях необходимо изучать направление развития трещин на начальных стадиях разрушения. Если схема напряженного состояния при деформации не меняется до разрушения, то по этим направлениям можно оценить, начинается ли разрушение под действием нормальных или касательных напряжений.

Таблица 4 – Схемы разрушения путем отрыва и среза при различных

механических испытаниях (по Я. Б. Фридману)

Вид испытания	Схема нагружения	Направление действия напряжения	Вид разрушения
нормальное	касательное	отрыв	срез
Растяжение
Сжатие
Кручение
Изгиб

Считается, что отрыв может произойти без предварительной макропластической деформации, в то время как разрушению путем среза такая деформация всегда предшествует. Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез – вязкому (пластичному) разрушению.

Внешне хрупкое и вязкое разрушение отличается в первую очередь величиной пластической деформации. Точно установлено, что любому, в том числе и хрупкому разрушению металлов и сплавов, предшествует какая-то пластическая деформация. Перед хрупким разрушением она обычно намного меньше, чем перед вязким, но четкой количественной границы здесь провести нельзя.

Оба типа разрушения – вязкое и хрупкое – включают в себя две стадии: 1) зарождение зародышевой трещины и 2) ее распространение. По механизму зарождения трещин хрупкое и вязкое разрушение принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано со скоростью распространеия трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика – она достигает 0,4…0,5 скорости звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

В поликристаллах трещина при разрушении может распространяться по телу зерна или вдоль границ. Соответственно различают внутризеренное (транскристаллитное) и межзеренное (интеркристаллитное) разрушение. При низких температурах межзеренное разрушение обычно наблюдается в хрупких материалах и обусловлено наличием на поверхности границ зерен частиц хрупких избыточных фаз или сегрегации примесей. Такое разрушение может происходить также при повышенных температурах, в условиях интенсивного развития межзеренной деформации.

Механика разрушения

Разрушение является процессом, развивающимся во времени в локальных объемах металла, приводящим к глобальному нестабильному разрушению при достижении предельного состояния. Основной задачей механики разрушения является разработка метода расчета деталей на прочность при наличии развивающейся трещины. Кроме того, необходимо уметь определять:

1) какой материал и в каком структурном состоянии является оптимальным для заданных условий нагружения;

2) какие наиболее информативные методы и критерии следует выбрать для выявления сопротивления материала зарождению и распространению трещины;

3) требования к технологии изготовления изделия, при которой повреждаемость материала минимальна;

4) как проектировать изделие с точки зрения наиболее благоприятного распределения напряжений у предполагаемых дефектов и концентратов напряжений;

5) историю рарушения по фрактографическим параметрам.

Таким образом, механика разрушения занимает основные позиции не только в материаловедении, технологии и конструировании деталей машин и агрегатов, но и в диагностике и инспекции разрушения. Знание основных закономерностей разрушения материала необходимо и достаточно для решения перечисленных выше задач механики трещин.

В динамике трещин важным параметром является текущая скорость движения трещины, по которой контролируют распределение напряжений и перемещений у края трещины, а следовательно, и поток энергии к краю трещины. Из теории Гриффитса следует, что при росте трещины в упругом теле высвобождающаяся упругая энергия полностью поглощается у края трещины, то есть расходуется на образование свежих поверхностей раздела. Однако при движении трещины в упругопластическом теле высвобождающаяся энергия не может полностью поглощаться в результате необратимых пластических деформаций у края трещины. Переход от условий притока энергии к краю трещины к условиям оттока ее от края трещины при субкритическом росте трещины носит скачкообразный характер и сопровождается изменением микромеханизма разрушения, определяющим скорость процесса, что влечет за собой и изменение морфологии поверхности трещины.

Атомный механизм зарождения качественно одинаков при хрупком и вязком разрушении. Зарождению трещины всегда предшествует какая-то пластическая деформация, то есть движение дислокаций.

Наиболее часто трещины возникают у вершин скоплений дислокаций вблизи каких либо барьеров: включений избыточных фаз, границ зерен, двойников, сидячих дислокаций и другие. Из схемы на рисунке 31 видно, что в непосредственной близости от барьера краевые дислокации в плоском скоплении могут под действием напряжений оказаться настолько тесно прижатыми друг к другу, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая микротрещина.

Эта схема прямо предполагает необходимость некоторой пластической деформации, достаточной для образования дислокационных скоплений. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения дислокаций, под действием растягивающих напряжений, в результате концентрации касательных напряжений в головной части скопления. Расчеты показывают, что при действии такой модели трещина возникает, когда величина локальных касательных напряжений у вершины скопления достигает значения ~ 0,7 модуля сдвига.

Для металлов с о.ц.к.-решеткой одной из модификаций этой схемы является модель, предложенная Коттрелом (рисунок 26). Допустим, что в растягивающем образце дислокации с векторами Бюргерса а/2 []и а/2 [111] скользят в пересекающихся плоскостях (101) и (). При встрече этих дислокаций возникает новая, расположенная в плоскости (100):

а/2 []+а/2 [111]→а[001]

Многократное повторение этого взаимодействия приводит к слиянию новых дислокаций а[001], что в конце-концов вызывает образование зародышевой трещины. Схема Коттрелла не требует наличия барьеров для дислокаций в исходном состоянии. Барьеры, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате пластической деформации.

Рисунок 26 – Схема зарождения трещин в о.ц.к. – металлах (по Коттреллу)

Иногда трещина образуется не у вершины скопления, а внутри него. Отрыв по плоскости скольжения происходит под действием нормальных напряжений. Они возникают в результате искривления плоскостей скольжения дислокациями, располагающимися в других плоскостях. Искривление поверхности скольжения при сдвиге вдоль нее вызывает появление нормальных напряжений.

Зарождение трещин может происходить и без дислокационных скоплений. Так, в металлах с г.п.у.-решеткой наблюдается возникновение трещин в результате перерезания малоугловой границы при пластической деформации.

Часто зарождение трещин наблюдается в месте встречи двойника деформации с каким-либо прочным барьером, например, границей зерна или другим двойником. Как известно, двойники распространяются с высокой скоростью и возникающие при столкновении с препятствием напряжения не успевают релаксировать. Особенно благоприятные условия для зарождения трещин создаются при встрече растущего двойника деформации с ранее образовавшимся, для которого было характерно другое направление двойникования. В этом случае концентрация напряжений в месте встречи особенно велика.

В условиях сильно развитой межзеренной деформации увеличивается вероятность зарождения трещин на границе перемещающихся друг относительно друга кристаллитов.

Рассмотрим стык трех зерен (рисунок 27) в растягиваемом образце. Мехзеренные смещения будут происходить в основном вдоль границ между зернами А-С и В-С, где действуют большие касательные напряжения (рисунок 27, а).

а – действие касательных напряжений; б – зарождение трещины

Рисунок 27 – Схема зарождения трещины в стыке трех зерен за счет межзеренной деформации

В результате трещина зарождается вблизи места стыка О и распространяется вдоль границ А-С и В-С (рисунок 27, б). На практике с такой схемой зарождения трещин в результате межзеренных смещений встречаются обычно при высокотемпературных длительных испытаниях. В этих условиях возможно зарождение пор (трещин) путем слияния вакансий.

Рассмотренные основные схемы зарождения трещин показывают, что разрушение металлов с разной решеткой и микроструктурой может начинаться по-разному.

В конечном итоге сопротивляемость металла или сплава разрушению и характер разрушения определяются условиями, в которых оказывается возникшая по тому или иному механизму микротрещина. Вторая стадия разрушения – распространение трещины – является решающей.

Бесплатная лекция: "Санкции и ответственность в хозяйственных отношениях" также доступна.

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., ШанявскийА.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.

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Разрушение материалов

Рекомендуемые материалы

Рекомендуемые лекции