строение (557054), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Высокая коиструкциоииая прочность достигается в композиционных материалах, представляющих сочетание высокопластичной матрицы и прочных волокон, воспринимающих нагрузку. Этот класс материалов обладает также большим сопротивлением распространению трещины. 3 3. Разрушение металлических материалов Пластическая деформация при ее непрерывном развитии приводит к разрушению металла. Сопротивление металла разрушению определяет надежность материала. Разрушение металла — сложный физический процесс, развитие которого зависит от структуры металла, скорости деформироваиия, характера приложенных напряжений, температуры и других факторов.
Любое разрушение металла начинается с образования зародышей микротрещины. Когда напряжение в металле достигает предела текучести (и, или и,,',), в ием активизируются дислокации, движение которых вызывает пластическую деформацию металла. В значительном числе случаев дислокации тормозятся и скапливаются у различных препятствий (границы зерен, частицы вторичных фаз, другие дислокации и т. д.). Взаимодействие дислокаций в скоплении приводит к значительной концентрации напря,- жения иа дислокациях, расположенных в головной части скопления. На лидирующей дислокации напряжение достигает значения и, = пп, где и — число дислокаций в скоплении; и — внешнее напряжение.
Под действием и, может произойти слияние нескольких головных дислокаций с образованием микротрещины, как это гуяеоял)олг(ухе ххьх ь х — х х х ххще 1 хххш т т т т тттт т О лияние голобнщх показано на рис. 79, а. Заоеелохооии о ление родыши микротрещин мохх ь тут образоваться в скоплениях дислокаций, расположенных в параллельб ных (рис. 79, б) и пересекающихся плоскостях скольжения (рис 79 в) Если в деформируемом л металле нет и не создаются препятствия движущимся дислокациям, то пластическая деформация может быть очень большой и достигать десятков и сотен процентов.
Это явление Рвс. 79. Схемы обрвеоввния микротрещин (7) НаЗЫВавтСя СВЕрХПЛаСТИЧ" прв слиянии головных днслоквпнй, движущихся в одной плоскости (а), в пврвллельиых (б), пе- НОСТЬЮ. ЕСЛИ Прн танпй ресеквющвхся плоскостях (е> деформации образуется шейка, то деформация локализуется в ней и протекает до тех пор, пока сечение шейки не уменьшается практически до нуля. Поскольку прн сверхпластической деформации дислокации не накапливаются, то наклепа не происходит. Следовательно, под сверхпластичностью следует понимать способность металла равномерно пластически деформироваться без упрочнения. Сверхпластичность наблюдается в мелкозернистых металлах и сплавах при медленном деформировании в области высоких температур' (0,7 ...
0,8 1„,) и при температурах несколько ниже температур фазовых превращений (например, в углеродистых сталях при 680 ... 720 'С). Используя эффект сверхпластичности, можно значительно деформировать металл при небольших напряжениях. Мнкротрещина, образующаяся в результате взаимодействия скопления дислокаций с препятствиями распространяется в метталле с различной скоростью. При быстром росте трещины происходит хрупкое разрушение, при медленном — вязкое разрушение металла.
В л(обом случае для ее перемещения требуется, чтобы в устье мнкротрещины существовала значительная концентрация напряжений. Анализ напряженного состояния в вершине трещины показывает, что сама микротрещина является концентратором напряжений и в ее вершине оно достигает значений п„„х = = и (1 + 2 ~/1/р), где 1 — полудлина трещины; р — радиус закругления в ее вершине; и — внешнее приложенное напряжение. Если принять р = !О нм (что соответствует предельно острой трещине), 1 = 1 мм, то напряжение в вершине примерно в 600 раз превышает приложенное и может легко достичь теоретической прочности на разрыв. Например, для железа а„,р Е/10 =- 21 ГПа.
Если в железе имеется предельно острая микротрещина длиной 1= 0,1 мм, то при приложенном напряжении всего лишь в ! 00 МПа напряжение в вершине достигает значений а „= 20 ГПа, что соответствует теоретической прочности на разрыв. Такое напряжение может привести к разрушению путем раскрытия трещины и отрыва одной части металла от другой. При этом 1 и и „будут расти, что сделает процесс разрушения лавинообразным. Так, по современным представлениям начинается и развивается процесс хрупкого разрушения металла. При вязком разрушении трещина ведет себя по другому. Ее рост сопровождается увеличением радиуса в вершине и отношение 11р уменьшается. Напряжение в вершине не достигает теоретических значений прочности. Поэтому сама трещина не возрастает до критичес!(ого размера, хотя и может распространяться иа все сечение детали.
Локальный наклеп в вершине такой трещины требует для ее продвижения постоянного увеличения внешних напряжений. По макроскопическим характеристикам, хрупкое и вязкое разрушение отличаются, в первую очередь, величиной пластической деформации перед разрушением. Любому разрушению металла или сплава, хрупкому или вязкому, предшествует пластическая деформация. Перед хрупким разрушением она значительно меньше.
Оба типа разрушения протекают в две стадии: появление зародышевой трещины и ее распространение. Качественное различие между ними связано со скоростью распространения трещины. Для хрупкого разрушения характерна острая, часто с ответвлениями трещина, которая распространяется с большой скоростью, достигающей значений 0,4... 0,5 скорости звука в материале образца. Скол при хрупком разрушении внутрикристаллический, блестящий. Однако при низких температурах скол может произойти и по границам зерен.
Соответственно различают внутризеренное (транскристаллитное) и межзеренное (интеркристаллитное) разрушение. При низких температурах межзеренное разрушение обычно наблюдается в хрупких материалах и обусловлено наличием по границам зерен частиц хрупких избыточных фаз и сегрегаций примесей. Хрупкое разрушение из-за большой скорости роста трещины представляет наибольшую опасность для целостности конструкции.
Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация. Скорость распространения вязкой трещины невелика и соизмерима со скоростью деформации образца. Излом при вязком разрушении волокнистый, матово-серый. По анализу изломов (фрактография) возможно определить характер разрушения, долю вязкой и хрупкой составляющей в нем.
Например, если на долю волокнистого излома приходится 20 % площади (В = 20 %), то это значит, что 20 % сечения разрушилось вязко, а 80 % — хрупко. $4. Прочность и разрушение полимерой Термомехеннчесипе поведение полнмеров При сравнении механических свойств низкомолекулярных веществ и полимеров наглядно проявляется диалектический закон перехода количественных изменений в качественные; т.
е. после достижения определенной длины молекулы приобретают гибкость. Это качество определяет все характерные особенности механических свойств полимеров. Гибкость макромолекулы обусловлена в основном возможностью вращения отдельных частей молекулы вокруг олинарных химических ковалентных (С вЂ” С) связей, которое требует гораздо меньших энергетических затрат, чем деформация валентных углов (рис. 80). С гибкостью длинных цепных молекул, составляющих высоко- полимер, связано наличие у аморфных полимеров трех физических состояний: стеклообразного, высокоэластичного и вязкотекучего.
Линейные и разветвленные полимеры, в зависимости от строения и температуры, существуют в кристаллической фазе и во всех трех состояниях аморфной фазы. Переход кристаллической фазы полимера в аморфную сопровождается скачкообразным изменением всех его физических и механических свойств. Переходы аморфного полимера из одного физического состояния в другое обратимы, происходят при изменении температуры постепенно, и столь же постепенно меняются его физические и механические свойства.
Густосетчатые термостабильные полимеры с нерегулярным расположением поперечных связей находятся только в аморфном состоянии. Редкосетчатые полимеры могут находиться в стеклообразном и высокоэластичном состоянии, а при нагружении кристаллизоваться. Все технологические и эксплуатационные свойства полимера зависят от физического и фазового состояния, которые обнаруживаются с помощью термомеханических кривых (ТМК), показывающих зависимость деформации з образца материала от температуры при действии невысокой постоянной нагрузки (Р = сопз1). ТМК аморфных линейных полимеров показана на рис, 81, а. Три участка этой кривой соответствуют трем физическим состояниям полимера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
