Хрупкость и вязкость

В процессе пластического деформирования и разрушения над материалом совершается работа внешних сил, в результате которой материал поглощает энергию деформирования, аккумулируя ее в потенциальной энергии дефектов, и рассеивая, в первую очередь, в виде тепла.

В зависимости от способности поглощать энергию пластического деформирования различают хрупкое и вязкое состояние материалов.

В хрупком состоянии материал деформируется преимущественно упруго, после чего наступает быстрое разрушение, называемое хрупким.

Хрупкость - склонность материала к разрушению с минимальной затратой энергии (чаще всего за счет развития трещин).

В вязком состоянии разрушению предшествует значительная пластическая деформация, поглощающая энергию деформирования.

Вязкость - способность материала поглощать энергию деформирования и разрушения, преобразуя ее в потенциальную энергию дефектов и тепло.

Величина поглощенной энергии соответствует работе пластической деформации и разрушения и определяется как прочностью, так и пластичностью материала. Материалы, обладающие высокой прочностью (см. Прочность) и пластичностью, имеют высокую вязкость, вследствие большой работы деформации и разрушения. При высокой прочности и малой пластичности (также как при низкой прочности и высокой пластичности) вязкость будет мала из-за малой работы разрушения.

Эксплуатационная надежность

Конструкционный материал ответственного назначения должен обладать необходимой эксплуатационной надежностью (способностью сопротивляться хрупкому разрушению), то есть быть достаточно вязким, так как материалы в хрупком состоянии чувствительны к концентраторам напряжений. К ним относятся:

- внутренние и внешние трещины,

- включения химических соединений с острыми краями,

- локальные очаги коррозии,

- особенности конструкции детали, включающие резкие изменения жесткости, отверстия, канавки, надрезы, следы механической обработки и т.п.

Анализ влияния трещины (рис. 25 (1, а, б)) на напряженное состояние показал, что на фоне приложенного напряжения вблизи острия трещины длиной L и радиусом r имеет место увеличение (концентрация) напряжений до _к=K·, где K=1+2(L/r)^0,5. В случае хрупкого состояния вблизи острия трещины практически не происходит пластической деформации и трещина растет под действием даже небольших , оставаясь острой (рис. 25 (1, а)), поэтому работа разрушения мала. В вязком состоянии вблизи острия будет развиваться пластическая деформация (рис 25 (1, б)), приводящая к увеличению радиуса трещины. В результате трещина для своего роста требует повышения  и, как следствие, при вязком состоянии материала концентраторы напряжений менее опасны.

Рис. 25. 1) Хрупкое (а) и вязкое (б) поведение материалов. 2) Испытание на ударную вязкость образцов с различными концентраторами напряжений (стрелкой указано направление удара).

Важными механизмами поглощения энергии являются также дополнительные виды (моды) пластической деформации: многочисленные завихрения (ротационная мода), двойникование, а также стимулируемые напряжением фазовые превращения.

Основной количественной характеристикой оценки вязкости материала является ударная вязкость - KCU, KCV, KCT, которая определяется при ударном нагружении стандартного образца с концентратором напряжений U-, V-, T (трещино)- образной формы (рис. 25 2, а, б, в), соответственно (ГОСТ 9454-78). Ударная вязкость рассчитывается как работа деформации и разрушения образца, приходящаяся на единицу его площади - A/S, где A - работа разрушения, S- площадь образца в сечении концентратора. Приведенные характеристики не являются расчетными, а служат для оценки состояния материала. Считается, что материал находится в хрупком состоянии, если значение KCU<0,2 МДж/м². В справочной литературе обычно приводятся значения KCU, суммирующие работу зарождения и роста трещин.

Для оценки влияния температуры на вязкость служит интервал температур вязко-хрупкого перехода (t_в - t_х) или температура t₅₀, при которой половина площади излома соответствует хрупкому разрушению. Резкий переход от вязкого к хрупкому разрушению (порог хладноломкости) характерен для материалов с ГПУ- решеткой (кроме Ti) и ОЦК- решеткой, в частности, для сталей.

Оценка вязкости сплавов с ГЦК-решеткой, которые имеют плавное снижение вязкости с уменьшением температуры, производится по температуре t_KCU=0.3, при которой наступает критическое снижение вязкости, соответствующее KCU=0,3 МДж/м².

Расчетной характеристикой вязкости материала является коэффициент интенсивности напряжений вблизи острия трещины критического размера K_IC ~ ·( ·l_кр)^0,5. С помощью критерия K_IC можно рассчитать или длину трещины критического размера l_кр при данном среднем напряжении  или напряжение , при котором длина трещины становится критической, то есть начинает развиваться самопроизвольно. Значение K_IC определяется экспериментально при растяжении плоского образца с надрезом и острой (усталостной) трещиной.

В случае сталей для повышения вязкости и понижения температуры вязко-хрупкого перехода:

- используют высокодисперсную ферритно-цементитную структуру,

- уменьшают концентрацию охрупчивающих примесей: серы, образующей хрупкие непрочные сульфиды по границам зерен, фосфора, скапливающегося вблизи границ зерен, примесных атомов внедрения (углерода, кислорода, азота, водорода), закрепляющих дислокации атомарно или в составе соединений,

- легируют, в первую очередь, никелем, понижающим t₅₀ на 60^оС при введении 1% никеля, так как его присутствие уменьшает связь примесей внедрения с дислокациями,

- используют аустенитные стали, имеющие ГЦК-решетку при температурах эксплуатации.

В титановых сплавах охрупчивающими примесями являются примеси внедрения: водород, образующий гидриды, углерод из-за выделения карбида TiC, кислород, азот, закрепляющие дислокации.

В алюминиевых сплавах понижение пластичности связано с присутствием примеси железа, образующего хрупкие иглообразные соединения Al₃Fe и одновременно кремния и железа, соединяющиеся в хрупкие тройные фазы (Al-Si-Fe).

В медных сплавах примесями, способствующими охрупчиванию, являются кислород в составе закиси Cu₂O, висмут, нерастворимый в меди, сера в составе хрупкого соединения Cu₂S, водород, образующий с кислородом пары воды.

Примеры материалов высокой надежности и хладостойкости

1) Аустенитная сталь 12Х18Н10Т (18%Cr, 10%Ni, ~1%Ti) после закалки, переводящей примеси в твердый раствор,

2) Сталь 0Н9 (0,1% C, 9%Ni) после закалки и высокого отпуска, формирующих структуру мелкозернистого феррита с участками остаточного аустенита,

3) Титановый сплав ВТ5-1 (5% Al, 2%Sn) после отжига, с однофазной структурой -Ti, где введение олова уменьшает охрупчивающее действие основного легирующего элемента – алюминия.

Прочность

Прочность - способность материала сопротивляться пластическому, то есть необратимому деформированию и разрушению.

В реальных твердых телах, особенно металлах, прочностные свойства во многом определяются, как и в случае пластичности, плотностью и подвижностью дислокаций.

Дислокации при своем движении, реализующем пластическую деформацию, испытывают торможение следующими дефектами (рис. 24):

• другими дислокациями,

• примесными атомами, образующими вокруг них скопления,

• частицами твердых вторичных фаз,

• границами зерен и двойников.

Основное упрочнение в процессе деформирования объясняется увеличением плотности дислокаций, образующихся в процессе деформации.

Определение прочностных свойств материалов

Основные характеристики прочности для металлических и неметаллических материалов, используемые в инженерной практике, получают из механических испытаний (ГОСТ 1497-84) стандартных образцов при постоянной скорости деформирования ~10^-2 ÷ 10^-3 1 /с. (рис. 26).

Рис.26. Кривая растяжения

В результате получают кривую растяжения, на которой различают несколько предельных значений напряжений (пределов) , соответствующих качественному изменению поведения материала. Расчет , чаще всего, ведется как отношение растягивающей нагрузки P к начальной площади F₀ ( = P/F₀), но так как в процессе деформации площадь сечения F уменьшается, то такие напряжения называются условными в отличие от более высоких истинных напряжений ( = P/F_т), где F_т – текущая площадь образца (штриховая линия (рис. 26)).

В справочных источниках указывают, как правило, значения следующих условных пределов:

_пц - предел пропорциональности - напряжение, вызывающее упругую деформацию, причем отклонение величины деформации от значения, соответствующего закону Гука, возможно не более чем на условленную величину (≤50%); применяется для расчета рабочих напряжений при проектировании прецизионных пружин;

_у - предел упругости - напряжение, характеризующее сопротивление возникающей малой пластической деформации, при котором пластическая деформация составляет не более условленной величины (≤0,05%); применяется для расчета максимальных рабочих напряжений при проектировании упругих элементов;

_т (_0,2) - предел текучести - напряжение, характеризующее сопротивление малым макропластическим деформациям, при котором пластическая деформация составляет не более условленной величины (обычно 0,2%); применяется для расчета максимальных допустимых напряжений [] при проектировании деталей из материалов высокой пластичности;

_в - предел прочности - напряжение, характеризующее сопротивление большим пластическим деформациям, при котором происходит переход от равномерной пластической деформации к развитию местной деформации с образованием резкого сужения (шейки); применяется для расчета максимально допустимых напряжений при проектировании деталей из материалов пониженной пластичности.

Если растягивающую нагрузку разделить на текущую площадь образца F_т, которая уменьшается по мере растяжения, то можно получить истинный предел прочности (_ви = P_max/F_т) и истинное сопротивление разрыву (S_к = P_к/F_к), однако эти характеристики редко применяются на практике.

Испытание на растяжение позволяет также получить характеристики пластичности материала:

 = L_max/L₀ - максимальное относительное удлинение при разрыве;

 = F_max/F₀ - максимальное относительное сужение при разрыве.

Важнейшей предпосылкой получения для металлических материалов высокопрочного и одновременно вязкого состояния (для сравнительно низких температур меньше 0,3 T_пл) является создание однородной, мелкозернистой и высокодисперсной структуры, где дислокации не закреплены около непреодолимых препятствий, а имеют возможность перемещения, но при больших напряжениях.

Высокой прочности при сохранении вязкости добиваются путем деформационного упрочнения, легирования и термической обработки.

Для чистых металлов и многих однофазных твердых растворов единственным методом упрочнения является холодная пластическая деформация. При этом, применяя пластическую деформацию и последующий нагрев, вызывающий полигонизацию или первичную рекристаллизацию (см. Основы термической обработки), нужно добиться однородной, мелкозернистой структуры, а внутри зерен - так называемой ячеистой дислокационной структуры. Такая структура обеспечивает равнопрочное состояние во всем объеме материала, отличающееся высокой прочностью и достаточным запасом пластичности. Этому способствуют препятствия в виде границ ячеек, проницаемых для движения дислокаций.

Упрочнение при легировании подразумевает введение в состав основного компонента элементов, позволяющих создать торможение дислокаций за счет:

• размещения атомов примесей вокруг дислокаций и на их пути,

• формирования системы упрочняющих частиц с наиболее эффективными параметрами,

• получения мелкозернистой структуры,

• предотвращения роста зерен закреплением их тугоплавкими частицами,

• увеличения расщепления дислокаций, затрудняющего прохождение препятствий.

Другой путь получения высокопрочного состояния материалов заключается в использовании высокопрочных малодефектных коротких кристаллов (усов) или волокон, имеющих прочность близкую к теоретической. Однако непосредственно из них невозможно изготовить даже небольшие детали, поэтому их включают в состав композиционных материалов (см. Композиционные материалы) в качестве упрочняющего компонента. Такие композиционные материалы обладают высокой прочностью в направлении ориентации усов или волокон, и могут иметь ряд дополнительных улучшенных служебных свойств: низкую или высокую плотность, заданное значение модуля нормальной упругости, высокую демпфирующую способность и другие.

Примеры высокопрочных материалов

1) Нитевидные кристаллы Al₂O₃ - _в = 28 ГПа,

2) Тонкая проволока из особовысококачественной стали У9Ш после термообработки, формирующей высокодисперсную смесь феррита и цементита, и последующего сильного обжатия - _в = 5,5 ГПа,

3) Стеклянные волокна - _в = 4,5 ГПа,

4) Сталь 30ХГСН2А после низкотемпературной термомеханической обработки (см. Основы термической обработки) - _в = 2,3 ГПа.

Эксплуатационная прочность материалов

В процессе эксплуатации деталей материалы подвергаются действию как постоянных (статических) так и переменных (циклических) нагрузок. При рассмотрении эксплуатационной прочности с учетом действия постоянных и переменных нагрузок используется понятие статической и циклической прочности.

Статическая прочность

Статическая прочность - способность материала деталей сопротивляться пластическому деформированию в условиях действия постоянных или медленноменяющихся нагрузок (при T<0,3T_пл) или кратковременно действующих нагрузок (при T≥0,3T_пл).

Расчет на статическую прочность (в случае растяжения или сжатия) устанавливает максимально допустимое напряжение [], возникающее в материале детали с площадью S₀ под действием рабочей нагрузки P_р и не вызывающее значительной пластической деформации или разрушения. Поэтому величина [] должна быть меньше предела текучести _0,2 и предела прочности _в материала

[]= P_р /S₀ < _0,2 < _в

В связи с тем, что не всегда точно известно напряженное состояние во всех микрообъемах детали и количественные характеристики прочности имеют некоторый разброс, вводится коэффициент запаса прочности - n. Выбор материала производится:

• по пределу текучести _0,2 для пластичных материалов _0,2= n_т∙[];

• по пределу прочности _в для материалов с пониженной пластичностью _в= n_в∙[].

В первом случае возможно использование небольших коэффициентов запаса по пределу текучести n_т ~ 1,5, так как пластичные материалы мало чувствительны к присутствию в деталях и структуре материала концентраторов напряжений (отверстий, трещин, надрезов, частиц с острыми краями и других структурных особенностей материала), действие которых ослабляется за счет развития вблизи концентраторов пластической деформации. В связи с этим пластичные материалы (  15%) имеют малый разброс характеристик прочности в присутствии концентраторов.

Во втором случае вблизи концентраторов напряжения даже при небольших рабочих нагрузках происходит значительное локальное увеличение напряжения, поэтому малопластичные материалы имеют в присутствии концентраторов больший разброс характеристик, что требует использования коэффициент запаса по пределу прочности n_в~2,4.

При расчете допустимых контактных напряжений используется небольшой коэффициент запаса n_k = 1,1-1,3, так как материал в данном случае работает в условиях, близких к всестороннему сжатию.

Часто к деталям предъявляются требования обеспечения наряду с высокой удельной жесткостью E/(∙g) высокой удельной прочности _0,2/(∙g) или _в/(∙g) (табл.2).

Таблица 2. Наибольшие прочностные свойства материалов, получаемых на основе указанных в таблице компонентов

Свойства	Cu	W	Ti	Mg	Ni	Al	Fe	Mo	Be	ситалл 2MgO∙ 2Al2O3∙ 5SiO2	композит полимер-углеродное волокно	композит полимер-стекловолокно
в, ГПа	1,2	1,4	1,4	0,4	2,2	0,6	2,1	0,8	0,68	0,3	1,0	2,1
∙g, КН/м3	89	193	45	174	89	27	79	102	18,4	28,4	14,7	22
в /∙g ∙10-6, м	0,01	0,007	0,03	0,023	0,025	0,022	0,027	0,004	0,04	0,01	0,07	0,096

Циклическая прочность

Циклическая прочность (выносливость) – способность материала сопротивляться разрушению, возникающему при действии переменных нагрузок за счет появления и развития трещин, называемых усталостными.

При действии переменных нагрузок в поверхностных слоях детали (рис. 27) вблизи концентраторов напряжений зарождаются усталостные трещины (1).

Рис.27. Поверхность излома после усталостного разрушения. Зарождение усталостной трещины (1), скачкообразный рост, стадия «долома».

С течением времени происходит скачкообразный рост трещины (2), пока она не достигнет критического размера, после чего наступает быстрое разрушение - стадия «долома» (3).

Характеристики циклической прочности определяются по результатам испытаний на усталость (ГОСТ 23207-78). Образец подвергается действию периодических переменных напряжений от -_min до _max (рис. 28,а) в двух вариантах:

- в асимметричном цикле при коэффициенте асимметрии R = -_min,/_max  -1, то есть в присутствии постоянного среднего напряжения _m  0 _,

- в симметричном цикле (R = -1) при _m = 0.

На кривых (рис.28, б) зависимости логарифма максимального напряжения (_max) от логарифма числа циклов до разрушения (N) для стали (кривая I) и для цветных сплавов (кривая II) различают следующие участки:

а) участок 1 в области больших напряжений, на котором и для сталей и для цветных сплавов напряжение усталостного разрушения соответствует ограниченному пределу выносливости _K при ограниченном числе циклов до разрушения (N_K);

б) участок 2, на котором:

- в случае сталей (I) напряжение равно постоянной величине _R (или _-1), называемой физическим пределом выносливости, при котором за заданное, базовое (10⁷) число циклов разрушение не наступает,

- в случае цветных сплавов (II) присутствует только ограниченный предел выносливости _K, зависящий от числа циклов в пределах базового числа циклов (10⁸).

а) б)

Рис.28 а) Циклическое нагружение в симметричном и ассиметричном цикле.

б) Кривые усталости для стали (I) и цветных сплавов (II)

По кривым усталости оценивается:

- циклическая прочность в виде предела выносливости _K, _R, _-1 при заданном или базовом числе циклов N,

- циклическая долговечность в виде числа циклов до разрушения N_К при заданном напряжении _K.

Увеличение выносливости обеспечивается:

1) борьбой с зарождением трещин за счет:

- уменьшения количества возможных концентраторов напряжений, в том числе предотвращения развития коррозии, особенно локальной (язвенной, межкристаллитной), повышения качества поверхности при механической обработке детали,

- создания в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия (после поверхностного пластического деформирования или термической и химико-термической обработки), препятствующих появлению и раскрытию трещин;

2) борьбой с развитием трещин в объеме детали, которая заключается в формировании в материале детали однородной высокодисперсной структуры с минимальной вероятностью появления концентраторов напряжений (в частности, предпочтительны упрочняющие частицы округлой формы), повышении прочности за счет легирования атомами замещения, так как при этом сохраняется необходимая пластичность, способствующая увеличению радиуса трещин.

Для конструкционных сталей чаще всего рекомендуется структура повышенной прочности и достаточной вязкости – сорбит (дисперсная смесь феррита и цементита) (см. Отпуск стали). В такой структуре зарождение трещины на поверхности деталей происходит относительно легко, но скорость роста трещины мала, так как многочисленные барьеры в виде границ зерен или частиц карбидов мешают прямолинейному распространению трещин, а пластическая деформация способствует их притуплению и торможению.

Для пружинных сталей характерна более прочная структура троостита, обладающего пониженной пластичностью. Поэтому важно не допустить возникновения трещин, так как в троостите зародившаяся трещина будет расти быстро. Поверхность изделий из таких сталей подвергается упрочнению с созданием остаточных напряжений сжатия. При этом необходимо добиваться отсутствия концентраторов напряжений.

При использовании конструкционных сталей между характеристиками статической и циклической прочности учитывают следующую связь:

- _-1 ~ 0,7_0,2,

- _-1~ 0,25 - 0,6 _В,

- коэффициент запаса относительно небольшой n_-1=1,5-2,5, так как отдельные перегрузки в цикле не скажутся на работоспособности,

- значения вязкости разрушения при циклических и статических нагружениях примерно равны между собой K_1C^ц ~ K_1C.

Увеличение сопротивления разрушению конструкций при переменных нагрузках возможно также за счет использования композиционных материалов, где развитие трещины в поперечном сечении детали приостанавливается на границе матрицы с волокном, так как трещина начинает расти вдоль волокна, не уменьшая сечения. К тому же для композитов характерно значительное внутреннее трение, поглощающее часть энергии деформирования, в частности, за счет проскальзывания волокон в матрице (см. Композиционные материалы).