Виды разрушения металлов

РАЗРУШЕНИЕ

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

В начале предыдущей главы говорилось о наличии трех видов напряжений: сжимающих (отрицательных нормальных), растягивающих (положительных нормальных) и касательных. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызвать разрушения. Оно происходит под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения: 1) отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием касательных напряжений.

В табл. 2.5 представлены схемы разрушения при разных схемах нагружения. Пользуясь табл. 2.5, можно по внешнему виду разрушенных образцов определять вид разрушения (отрыв или срез), что в некоторых случаях имеет практическое значение. Но представленные схемы разрушения могут быть точно реализованы лишь в том случае, если 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 в растягиваемом образце), так и в процессе разрушения в результате образования трещин. Поэтому вид разрушенных образцов часто отличается от предсказываемого.

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. Именно на эти два типа подразделяется большинство случаев разрушения в металловедении.

Твердо установлено, что любому, в том числе 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.

 

 

Таблица 2.5. Схемы разрушения путем отрыва и среза при различных механических испытаниях (по Я.Б.Фридману)

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

 

*При наличии контактных сил трения.

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

Энергоемкость вязкого разрушения значительно больше потому, что при развитии вязкой трещины пластическая деформация идет не только вблизи ее вершины, но по значительному объему детали или образца. В результате работа, необходимая для продвижения трещины, здесь значительно больше, чем при развитии хрупкой трещины, когда пластическая деформация локализована в узком слое у ее вершины.

Вторая стадия разрушения является наиболее важной. Именно она в основном определяет сопротивление материала разрушению. Стадия распространения трещины тоже состоит из двух стадий – докритического, относительно медленного развития трещины, когда процесс разрушения еще можно контролировать, и закритического распространения трещины, когда окончательное разрушение становится очень быстрым, трудно управляемым и часто необратимым.

Такое подразделение второй стадии процесса разрушения на до- и закритическую подстадии имело принципиальное значение для инженерной практики. Если до недавнего времени конструкция с любой трещиной считалась непригодной для эксплуатации, то теперь при конструировании основным стал принцип «безопасного повреждения», который допускает эксплуатацию при наличии трещин на докритической стадии их развития.

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. Тенденция к межзеренному разрушению усиливается по мере уменьшения скорости деформации.

Современные представления о разрушении исходят из того, что это процесс, идущий во времени параллельно с деформацией. Особенность разрушения заключается в том, что оно является значительно более локальным и структурно-чувствительным, чем все виды деформации. Действительно, развитие трещины определяется структурой и свойствами материала в непосредственной близости (на микронных расстояниях) от ее вершины. Таким образом, характеристики макроразрушения образца или конструкции определяются локальными процессами в микрообъемах.