3. Хрупкое и вязкое разрушение

Заключительная стадия деформирования материалов - стадия разрушения — стала объектом исследования сравнительно недав­но, так как раньше считали, что после появления трещин в мате­риале изделие нельзя использовать. Разрушение рассматривалось как заключительная мгновенная стадия нагружения, которая не может быть остановлена. В настоящее время выявлено, что стадия разрушения с момента появления повреждения может составлять до 90 % долговечности конструкции.

Толчком к систематическому изучению механики разрушения явились участившиеся случаи аварий и катастроф судов, мостов, резервуаров, летательных аппаратов и других конструкций, в свою очередь обусловленные применением высокопрочных мате­риалов и усложнением условий их работы.

Разрушение твердого тела представляет собой процесс разде­ления его на части под действием нагрузки, который также может сопровождаться термическими, радиационными, коррозионными и другими воздействиями. На атомном уровне разрушение пред­ставляет собой разрыв межатомных связей с образованием новых поверхностей. Если разрыв межатомных связей происходит пер­пендикулярно плоскости разрушения, то происходит разрушение сколом или отрывом. Если разрыв связей идет под действием си­лы, приложенной параллельно плоскости разрушения, то проис­ходит разрушение сдвигом или скольжением. В металлах может

иметь место и тот, и другой вид разрушения, что определяется главным образом их кристаллической структурой. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры, скорости деформа­ции, напряженного состояния, чистоты металла и т. д.

В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед раз­рушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительном развитии происходит хрупкое разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола, ко­гда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным напря­жениям (рис. 2.4). Под действием нормальных напряжений про­исходит упругая деформация кристаллической решетки, а после достижения предельной степени ее искажения происходит после­довательный разрыв межатомных связей с отрывом одной атом­ной плоскости от другой, т. е. разрушение металла. Разрушение начинается от какого-либо дефекта, вблизи которого развивается концентрация напряжений, превосходящих теоретическую проч­ность металла. Концентрация напряжений К пропорциональна

остроте дефекта и его длине: К = 2-Щг , где I - длина дефекта; г - радиус закругления в его вершине. Концентрации напряжений способствует образование как внутренних, так и наружных де­фектов - надрезов различной остроты и длины (рис. 2.5).

б Q-

F

Рис. 2.4. Схема разрушения путем отрыва:

а - исходное состояние; б - упругая деформация; в - хрупкое разрушение (отрыв)

Рис. 2.5. Концентрация напряжений ст_тах в устье дефекта:

а - трещина; б - острый надрез; в - закругленный надрез; г₁< г_г< г₃; ст_1р - сред­ний уровень напряжений

У достаточно пластичных металлов, характеризующихся ре­лаксацией напряжений, местной концентрации напряжений вбли­зи несплошностей оказывается недостаточно, и развитие трещин скола не происходит.

Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45° к направлению главных нормальных напряжений.

Чисто сдвиговое вязкое разрушение характерно для таких аморфных материалов, как глина; чисто хрупкое разрушение свой­ственно идеально упругим материалам, например алмазу. Однако большинству реальных материалов одновременно присуще и вяз­кое, и хрупкое разрушение, а разделение на отдельные виды раз­рушения условно проводится по преобладанию того или иного типа.

Характерными признаками вязкого и хрупкого разрушения являются энергоемкость, т. е. величина работы разрушения, вид трещины и поверхности излома и скорость распространения тре­щины.

При разрушении по хрупкому механизму затрачивается зна­чительно меньшая работа на процесс самого разрушения, чем при вязком. Начавшееся хрупкое разрушение является самопроиз­вольным процессом. Оно происходит за счет высвобождения на­копленной в системе упругой энергии, и поэтому для распростра­нения трещины не требуется подвод энергии извне. При хрупком разрушении затрата энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем освобождающаяся при этом накопленная упругая энергия. При вязком разрушении

б Рис. 2.6. Вид трещины и схемы разрушения

(сечение перпендикулярно поверхности излома):

а - хрупкое; б - вязкое

а

затрачивается значительно большая ра­бота. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое де­

формирование металла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачи­ваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственно разрушения.

При хрупком разрушении магистральная разделяющая тело трещина имеет малый угол раскрытия (острая трещина), пласти­ческая деформация вблизи поверхности разрушения почти полно­стью отсутствует (рис. 2.6). При вязком разрушении трещина име­ет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность раз­рушения характеризуется значительной степенью пластической деформации.

При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, и поэтому у большинства металлов при низ­ких температурах разрушение имеет транскристаллитный харак­тер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При по­вышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах име­ет, как правило, межкристаллитный характер (рис. 2.7).

Микроизлом при хрупком разрушении имеет блестящую глад­кую поверхность. Плоские грани расколотых кристаллических зе­рен придают металлический блеск хрупкому излому. Электронно­микроскопическое исследование обнаруживает “речные узоры”, или “ручьистое” строение излома, являющееся следствием взаимо­действия движущейся трещины с дефектами кристалла, а также наличие предпочтительных кристаллографических ориентировок фасеток скола. Излом при вязком разрушении имеет матовый во­локнистый характер без металлического блеска. Электронно-мик­роскопическое исследование обнаруживает характерное "чашечное" строение излома.

Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость рас­пространения трещины, достигающая приблизительно 0,4 скоро­сти распространения звука в металле. Отсюда скорость рас­пространения хрупкой трещины для стали должна составлять около 2 • 10³ м/с. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания на­пряжений.

Рис. 2.7. Микроструктура изломов:

а - хрупкий ручьистый излом; б - вязкий чашечный излом CuNi20; в - квази хрупкий излом литой стали при 77 К

I

С помощью рассмотренных признаков можно определить ха­рактер разрушения детали или конструкции (вязкий или хруп­кий механизм). Необходимость квалификации характера разру­шения в каждом отдельном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципиально раз­личны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, увеличивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

Разрушение сколом можно разделить на три фазы: зарожде­ние микротрещины, ее подрастание до критического размера и распространение через соседние зерна. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. В относи­тельно чистых металлах - это зарождение и начальное подраста­ние трещины. В металлах, содержащих включения, первые две стадии протекают сравнительно легко, но затем трещина сдержи­вается границами зерен. По этой причине в таких металлах часто наблюдают зарождение и торможение множества трещин до мо­мента неустойчивого распространения одной из них.

Существует ряд моделей дислокационного механизма зарож­дения трещины (рис. 2.8). Согласно общей модели Зинера, крае­вые дислокации движутся по плоскости скольжения к препятст­вию, например к границе зерна, двойника, межфазной границе и т. д. Если при подходе они не могут одолеть этот “непрозрачный” барьер, то образуется нагромождение дислокаций и в этом месте возникает концентрация напряжений. При этом напряжение в локальной зоне может во много раз превысить приложенное на­пряжение. После того как напряжения превысят силы межатом­ной связи материала, возникает микротрещина.

Следующей стадией разрушения является подрастание заро­дышевой микротрещины до трещины критического размера, ко­гда будет достигнуто критическое соотношение между действую­щим напряжением и длиной трещины.

Существует несколько моделей докритического подрастания трещины. Трещина может расти за счет того, что при своем дви­жении поглощает другие дислокационные микротрещины. Росту трещины способствует взаимодействие полей напряжения у ее вершины. Таким образом, стадии зарождения микротрещины и ее

4.

подрастания до критического раз­мера являются следствием движе­ния дислокаций, т. е. пластической деформации металла.

Рис. 2.8. Дислокационные модели зарож­дения микротрещин:

а - модель Зинера - Стро; б - модель Коттрелла

Критический размер трещины характеризуется концентраци­ей напряжений в ее устье, достигающей уровня прочности метал­ла. При достижении трещиной критической длины ее дальнейшее распространение происходит лавинно без заметной пластической деформации и без подвода энергии извне.