Вязкое разрушение

Вязкое разрушение происходит обычно после значительной пластической деформации (десятки процентов). Его главными особенностями являются медленное развитие трещин и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины трещины. Поэтому вязкое разрушение – наименее опасный вид разрушения и ему уделяют не так много внимания, как хрупкому. Тем не менее анализ вязкого разрушения очень важен. Он позволяет, в частности, лучше понять механизм хрупкого разрушения и наметить меры его предотвращения. Вязкое разрушение важно при анализе поведения металлов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации, и разрушение, в том числе вязкое, недопустимо.

Вязкое разрушение в зависимости от материала, геометрии образца, способа и условий нагружения развивается различными способами. Поэтому соответствующая макрогеометрия поверхности разрушения также может сильно различаться (рис. 2.36).

 

 

Рисунок 2. 36 - Формы излома образцов при вязком разрушении после растяжения

 

Разрушение путем среза (см. рис. 2.36а) часто наблюдается при растяжении монокристаллов с ГП решеткой таких металлов, как цинк, кадмий. Поверхность излома здесь имеет вид одностороннего клина. В этом случае говорят о разрушении чистым сдвигом, и объясняется оно продолжительной пластической деформацией базисным скольжением в нескольких достаточно удаленных друг от друга полосах. Окончательное разрушение происходит в результате разрыва по плоскости скольжения.

При растяжении плоских образцов из малопластичных металлов и сплавов, например высокоуглеродистой стали, также часто наблюдается разрушение путем среза. Оно возможно и на цилиндрических образцах. В отличие от чистого сдвига в этих разновидностях среза получается менее гладкая поверхность разрушения.

В образцах из пластичных металлов сдвиг чаще происходит вдоль двух перпендикулярных плоскостей скольжения, где действуют максимальные касательные напряжения. В результате у чистых монокристаллов с ГЦК решеткой (медь, серебро) образующаяся при растяжении шейка сужается до острия в цилиндрическом или лезвия в плоском образце (см. рис. 2.36 б,в).

Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование чашечного излома в шейке растягиваемого образца (см.2.37). Шейка возникает после некоторого равномерного удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном объеме. Внутри шейки схема напряженного состояния усложнения по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин.

Зародышевые трещины образуются по одной из выше описанных схем. Чаще всего в технических металлах и сплавах реализуется первая схема зарождения трещин – у скоплений дислокаций вблизи барьеров (различного рода включений), которые всегда содержатся в технических металлах. Возможно также появление первых трещин внутри хрупких включений, которые разрушаются раньше, чем образуются достаточно мощные дислокационные скопления в матрице. Возникшие несплошности под действием напряжений начинают постепенно расти и по достижении микронных размеров уже легко выявляются при металлографическом анализе. На начальной стадии вязкого разрушения типичным является наличие множества мелких трещин (пор), концентрирующихся в основном в центральной части сечения шейки (рис. 2.37а). По мере растяжения перемычки между порами сильно деформируются и разрушаются. В результате эти мелкие поры сливаются с образованием более крупных и в конце концов в центре шейки образуется сплошная трещина, плоскость которой в макромасштабе располагается нормально внешнему растягивающему усилию (см. рис. 2.37а). Следовательно, образование этой центральной трещины – результат разрушения путем макроотрыва. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор при разрыве перемычек между ними и основной трещиной.

 

Рисунок 2. 37 - Образование центральной трещины (а) и распределение напряжений по сечению шейки: S₁ – продольное напряжение; S₂, S₃ – поперечные нормальные напряжения

 

Для того, чтобы понять, почему разрушение на начальных стадиях локализуется в центральной части шейки, необходимо проанализировать распределение напряжений по сечению шейки. Как видно из рис. 2.37б, вблизи центра образца все напряжения максимальны. Особенно велико здесь продольное растягивающее напряжение S₁ , в то время как касательные напряжения распределены более равномерно. В результате трещины возникают и развиваются в средней части сечения шейки, и здесь же происходит разрушение путем отрыва с образованием центральной трещины.

По достижении центральной трещиной периферийных слоев шейки все напряжения локализуются в этих не разрушенных периферийных участках. Скорость распространения трещины резко возрастает, меняется и направление ее развития. Это направление может оказаться различным в зависимости от структуры и свойств металла. Если дальнейший рост трещины будет идти путем локального сдвига в плоскостях, наклоненных под углом ~45° к оси растяжения, то в результате появления все новых полос сдвига при развитии центральной трещины образуется излом в форме «чашечки» (см. рис. 2.36г), что характерно для многих металлов, например алюминия, при температурах от комнатной до 40К.

На всех этапах развитие вязких трещин является докритическим и сопровождается сильной пластической деформацией, которая и контролирует скорость вязкого разрушения. Закритическое развитие трещины при вязком разрушении – явление относительно редкое, встречающееся только в некоторых высокопрочных материалах.

Вязкое разрушение бывает обычно внутризеренным, даже если трещина зарождается у границ зерна. При дальнейшем росте трещины траектория ее движения проходит по телу кристаллита.

Рассмотренные особенности вязкого разрушения отражаются на структуре поверхности разрушения. При визуальном осмотре невооруженным глазом она обычно матовая, неровная, часто со следами пластической деформации в виде грубых полос скольжения.

Тонкую структуру излома выявляют с помощью фрактографического анализа – исследования структуры поверхности разрушения в световом и просвечивающем (при помощи реплик) или сканирующем электронном микроскопах. Фрактографический анализ, получивший широкое развитие в последние годы, дает важную информацию о механизме разрушения. На рис. 2.38 показаны типичные примеры микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных ямок. Диаметр их колеблется в диапазоне 0,5 – 20 мкм. Глубина ямок, характеризующая размеры области интенсивной пластической деформации, на вязком изломе в зоне макроотрыва может быть довольно велика (несколько микрометров). Ямки на поверхности вязкого излома являются результатом образования, роста и слияния множества микропор (трещин). На поверхности разрушенных перемычек, а также на дне некоторых пор часто видны линии скольжения, образовавшиеся при пластической деформации перед разрушением. На дне многих ямок выявляются частицы избыточных фаз, что как раз и служит доказательством возникновения большинства зародышевых трещин у этих включений.

 

а б

Рисунок 2.38 - Типичная структура вязких изломов

 

На «стенках» чашечного излома наблюдаются сильно вытянутые ямки, а также области, не имеющие характерных особенностей структуры (рис. 2.38). Эти области также имеются на поверхности разрушения чистым сдвигом. Они являются результатом разрушения металла вдоль поверхности локализованной интенсивной пластической деформации скольжением.

Общего количественного критерия вязкого разрушения не существует. Для ограниченного интервала условий таким критерием может служить величина либо деформации, либо минимального нормального или касательного напряжения, достаточного для развития вязкого разрушения.