Связь механики разрушения с физикой твердого тела

Классификация типов разрушения

Деформирование и разрушение твердых тел тесно связаны друг с другом. Если тело подвергнуто действию нагрузки, при которой нарушается сплошность среды и интенсивность поля напряжений достигает предельного значения, то наступает разрушение, т. е. необратимое разделение тела на части. В зависимости от характера распределения напряжений в теле разрушение бывает двух типов: отрывом и сдвигом (скольжением).

Разрушение отрывом является, как правило, хрупким, возникает в результате приложения растягивающих нагрузок, происходит по определенным кристаллографическим плоскостям, характерным для кристаллической решетки материала, а поверхность разрушения нормальна к максимальному главному напряжению.

Разрушение сдвигом является вязким, связано с касательными напряжениями, происходит по направлению максимального сдвига (по плоскости скольжения двух частей кристалла относительно друг друга до полного их разделения), а поверхность сдвига ориентирована под углом ~ 45° к главным напряжениям.

Отметим, что разрушение отрывом может наступать как при малых, так и при значительных пластических деформациях, а разрушение сдвигом – только при наличии определенной степени пластической деформации, так как оно является заключительным актом скольжения. Вообще говоря, любому типу разрушения всегда предшествует пластическое деформирование материала; его интенсивность, а также величина деформации определяются характером пластического течения (локальным или общим).

На тип разрушения влияют форма тела, характер нагружения, температура, скорость деформаций, механические свойства среды и наличие концентраторов напряжений. Местные концентраторы напряжений действуют как очаги разрушения и приводят к хрупкому разрушению отрывом. Форма тела и характер нагружения определяют поле напряжений, которое, в свою очередь, определяет степень влияния напряженного состояния на процесс разрушения.

Рис. 1.17. Схемы типичных испытаний механических свойств материалов

и сопутствующие типы разрушения (по Я.Б. Фридману)

 

Многочисленные экспериментальные данные позволяют получить некоторое представление о влиянии вида напряженного состояния на тип разрушения материалов (рис. 1.17). Отдельные металлические сплавы не укладываются в приведенную схему, так как подвержены аномальным отклонениям, которые возникают в результате физико-химических процессов, происходящих в сплавах при изменении температурных режимов нагружения.

С микроскопической точки зрения существуют два основных типа разрушения: хрупкое и вязкое. Тип разрушения во многом определяется температурой и скоростью нагружения: хрупкое разрушение возникает при низких температурах или резком приложении растягивающих нагрузок (или при воздействии того и другого одновременно); вязкое разрушение связано с высокими температурами, с малыми скоростями деформаций при сжимающих и растягивающих напряжениях или с высокими скоростями деформаций при сжимающих нагрузках импульсного характера. Имеется также разновидность хрупкого разрушения — разрушение сколом, при котором ориентация плоскости трещины связана с ориентацией кристаллической структуры материала, а именно с положением ее кристаллографических плоскостей.

От температуры и скорости деформаций зависит также тип разрушения поликристаллической среды: межзеренное разрушение, вызванное отделением зерен одно от другого и протекающее при высоких температурах и малых скоростях деформаций; внутризеренное разрушение, связанное с фрагментацией (разрушением) зерен и протекающее при низких температурах и больших скоростях деформаций; в промежуточных случаях имеют место оба типа разрушения.

Вид пластических деформаций тела определяется: механическими свойствами материала, которые зависят от температуры, условий затвердевания кристаллов при охлаждении, истории деформирования, скорости и интенсивности нагружения и других факторов. Эти факторы имеют значение на протяжении всего процесса пластического деформирования и разрушения тела.

Один и тот же тип разрушения может иметь несколько названий в зависимости от признаков, на которых базируется анализ:

1) если разрушение связывают со степенью пластичности, реализованной к моменту разрушения, то разрушение разделяютна хрупкое, квазихрупкое и вязкое;

2) если разрушение приводят в соответствие с напряженно-деформированным состоянием, то имеют в виду разрушение отрывом и разрушение сдвигом;

3) если разрушение связывают со структурой материала, то различают межзеренное, внутризеренное и смешанное разрушение;

4) если выделяют условия нагружения, то применяют понятия усталостного разрушения, разрушения при ползучести и т.д.;

5) в зависимости от кинематики процесса различают стабильное (задержанное) и нестабильное разрушение.

Существует еще целый ряд менее значимых параметров, по которым можно классифицировать типы разрушения, однако феноменология процесса разрушения позволяет выделить два основных фактора, упрощающих классификацию. Во-первых, существуют только два пути разрушения – сдвиг и отрыв, причем любой процесс разрушения состоит из двух стадий, включающих зарождение трещины и ее последующий рост. Во-вторых, все твердые кристаллические среды можно разделить на вязкие (или пластичные) и хрупкие. Вязкое разрушение происходит при наличии больших деформаций, а хрупкое – сравнительно малых. Поэтому в дальнейшем будем использовать только два первых определения типа разрушения: хрупкое, квазихрупкое и вязкое разрушение; разрушение сдвигом и разрушение отрывом. В соответствии с условными типами разрушения можно также выделить три типа тел:

1) хрупкие тела – это классический объект линейной механики разрушения;

2) полухрупкие тела, которые могут быть пластичными, но могут испытывать скол, – классический объект дислокационной теории разрушения;

3) пластичные (вязкие) тела, сохраняя пластичность, они могут при определенных условиях проявлять черты хрупкого поведения.

Однозначно определить тип разрушения (вязкий или хрупкий, т. е. деформировалась пластически поверхность разрушения или нет) можно лишь при изучении поверхностей, по которым разрушился образец, с помощью метода фрактографии. Хрупкое разрушение на фрактограмме характеризуется так называемым ручьистым изломом или речным узором, а вязкое – чашечным изломом с наличием на поверхности разрушения ямок (впадин отрыва).

В действительности многим материалам, особенно металлам, не свойственно абсолютно вязкое или абсолютно хрупкое разрушение. Поэтому, когда говорят о вязком или хрупком разрушении, это означает, что явно преобладает один из описанных механизмов. Разрушение может быть вязким по механизму протекания процесса, но распространяться при этом от какого-либо дефекта до наступления развитого пластического течения, и результатом явится хрупкость. Весьма часты случаи смешанных разрушений. Методом фрактографии можно определить долю того и другого типа разрушения. Например, если в изломе содержится 30 % вязкого волокна (обозначается как 30В), то это означает, что 30 % сечения разрушилось вязко, а 70 % – хрупко.

Характеристики разрушения связаны с кристаллической структурой материалов. Например, металлы с ГЦК-решеткой (алюминий, медь, никель и др.) при испытаниях на растяжение даже при очень низких температурах проявляют пластичность. Металлы с ОЦК-решеткой (железо, молибден, вольфрам и др.), а также металлы с ГПУ-решеткой (цинк, бериллий и др.) являются пластичными при высоких температурах, но становятся хрупкими при низких. Вообще говоря, ОЦК-кристаллы склонны к разрушению сколом (хрупкое разрушение по кристаллографическим плоскостям), а ГЦК-кристаллы имеют практически неограниченную деформируемость.

Механика разрушения, или теория трещин, как составная часть науки о прочности твердого тела образовалась сравнительно недавно, и занимается она изучением законов разделения твердых тел на части под действием внешних силовых факторов и других причин.

Одной из основных задач механики твердого тела является оценка прочности элементов, работающих в реальных условиях эксплуатации. Среди параметров, характеризующих прочность материала, в последнее время все более важным является трещиностойкость. Процесс разрушения представляет собой совокупность явлений, который начинается гораздо раньше, чем появятся первые визуально заметные трещины. В материале, как правило, содержатся дефекты структуры, пустоты, раковины, вкрапления других металлов, которые со временем могут превратиться в трещины.

В процессе эксплуатации трещины в элементах конструкции могут появиться и из-за конструкторских просчетов. Появившаяся в конструкции трещина, если она не будет обнаружена во время, может привести к катастрофическим последствиям.

Кроме того, причиной разрушения элементов конструкции в результате появления трещин могут быть коррозия и старение материала. Необоснованное продление срока эксплуатации конструкции чревато различного рода авариями. Причиной возникновения трещин, ведущих к разрушению твердого тела, может быть и присутствие на его поверхности материала с другими механическими свойствами.

В общем случае под разрушением подразумевается не только необратимый распад материалов на две и больше частей. В понятие разрушение входит также необратимое пластическое течение, которое характеризуется остаточной деформацией и приводящее к исчерпанию несущей способности. Разрушение вязкоупругих материалов в зависимости от метода и условий нагружения подразделяется на следующие виды: начало текучести или пластической деформации; хрупкое разрушение; пластическое разрушение; разрушение при ползучести; усталостное разрушение; разрушение под действием окружающей среды.

Как уже было сказано выше, различают два вида разрушения – пластическое и хрупкое. Пластическое разрушение происходит после существенной пластической деформации, протекающей по всему объему тела или его значительной части, и является результатом исчерпания способности материала сопротивляться пластической деформации. Хрупким называется разрушение, происходящее без пластической деформации. Различают также квазихрупкое разрушение, при котором имеет место некоторая пластическая зона перед краем трещины. Квазихрупкое разрушение происходит в наиболее ослабленном сечении при напряжении выше предела текучести, но ниже предела прочности. При хрупком разрушении скорость распространения трещины составляет 0,2–0,5 скорости звука, т. е. достаточно велика, а излом имеет кристаллический вид. При пластическом разрушении скорость трещины мала и составляет не более 0,05 скорости звука, а излом имеет волокнистый вид.

Особенно большое практическое значение в инженерном деле имеет изучение хрупкого разрушения конструкций, которое происходит от быстрого распространения трещин при средних напряжениях ниже предела текучести, кажущихся в связи с этим безопасными. Последнее свидетельствует о том, что рассмотренных до этого классических методов расчета на прочность по упругому и пластическому состояниям недостаточно. Вот почему практически необходимо дополнить классические методы новыми методами расчета на прочность, учитывающими законы зарождения и развития трещин, а также ввести новые характеристики материала, по которым могла бы оцениваться его трещиностойкость.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое кристалл и чем характеризуется кристаллическое состояние вещества?

2. Сформулируйте определение кристаллической решётки, идеального кристалла, сингонии.

3. Что представляют собой решётки Браве, сколько их?

4. Что такое координационное число?

5. Классифицируйте силы межатомного взаимодействия в твёрдых кристаллических телах.

6. Что такое полиморфизм кристалла и фазовый переход? Как обозначаются аллотропические модификации?

7. В чём заключается сущность анизотропии и квазиизотропии твёрдого тела?

8. Сформулируйте понятия точечных, линейных и двумерных дефектов кристаллической решётки, приведите примеры.

9. Дайте определение дислокации.

10. Опишите механизм упругой и пластической деформации.

11. Какова роль дислокаций в осуществлении механизма пластического течения?

12. Что может снижать прочность материала?

13. Что называют скольжением, двойникованием?

14. Приведите классификацию типов разрушения.

15. Что влияет на тип разрушения?

16. Сформулируйте определения: разрушение сдвигом, разрушение отрывом.

17. Какое разрушение характеризуется на фрактограмме ручьистым изломом, чашечным изломом?

18. Дайте определение квазихрупкого разрушения.

19. Определите три типа твёрдых тел в соответствии с тремя условными типами разрушения.