3.1. Цель работы
1.3.1. Изучить методику испытания на ударный изгиб и определения порога хладноломкости.
3.2. Приборы и материалы
Биологический микроскоп, образцы разрушенных слитков, раствор поваренной соли, спиртовка, плакаты.
3.3. Краткие теоретические сведения
Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит в результате или развития нескольких трещин, или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой происходит полное разрушение. Разрушение может быть хрупким (в металлах - квазихрупким) и (или) вязким.
Рис. 3.1. Виды изломов стали: а) виды изломов:1- хрупкий;
2 И 3 смешанный; 4 - вязкий. Б) микрофрактограммы (слева на право) вязкого (чашечный), хрупкого (ручьистый), интеркристаллитного хрупкого излома (х5000)
Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокации (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед всевозможными включениями и т. д.).
В месте скопления дислокации они могут прийти в столь тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая трещина (рис. 3.2).
Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокации достигает 10-1013 см3, а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G. При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина (при заданном напряжении) превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остригу, соизмеримую (по радиусу у вершины) с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи. При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей вперед впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика.
Рис.3.2. Схема образования трещины: 1-трещина; 2-граница зерна
Для стали скорость роста трещины достигает 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным", или "катастрофическим", разрушением. Вязкое и хрупкое разрушения можно связать с энергоемкостью процесса разрушения при том или ином виде испытания. Вязкому разрушению соответствуют обычно высокие значения поглощенной энергии, т.е. большая работа распространения трещины. Энергоемкость хрупкого разрушения мала и соответственно работа 'распространения трещины также мала.
С точки зрения микроструктуры существуют два вида разрушения - транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.
При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким. Надо отметить, что межзеренное разрушение присутствует всегда, но больше проявляется при хрупком разрушении.
По внешнему виду излома различают:
1) хрупкий (светлый), излом (рис. 3.3.а), поверхность разрушения которого характеризуется наличием блестящих плоских участков; такой излом свойственен хрупкому разрушению;
2) вязкий (матовый) излом (рис. 3.3.в), поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы-волокна, образующиеся при пластической формации зерен в процессе разрушения; этот излом свидетельствует о вязком разрушении;
3) смешанный характер разрушения показан на рис. 3.1, 3.2 и 3.3).
Рис. 3.3. Типы разрушения металлов: а) -хрупкое. х500;
б) –хрупкое межзеренное х 100; в) - вязкое ямочное х 600
Изучение тонкой структуры излома с помощью электронного микроскопа (микрофрактография) позволяет более уверенно судить о вязком или хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется ямочным ("чашечным") изломом (рис. 3.3.в); ямка - микроуглубление на поверхности излома, возникающее в результате образования, роста и слияния микропустот. Глубина ямки определяется способностью металла к локальной пластической деформации.
Излом, при хрупком разрушении имеет ручьистый узор (рис. 3.3.б) представляющий собой систему сходящихся ступенек скола, образующихся в результате деформации разрушения перемычек между хрупкими трещинами, распространяющимися путем скола по параллельным, близко расположенным кристаллографическим плоскостям. Хрупкое разрушение распространяется внутри отдельных зерен вдоль плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, называемой плоскостью скола.
Вязкий чашечный и хрупкий ручьистый изломы относят к транскристаллическому разрушению.
При исследовании на электронном микроскопе хрупкое разрушение, идущее по границам зерен, выявляется в виде гладких поверхностей, так называемых фасеток зеренограничного скола часто с некоторым количеством выделившихся частиц.
Межзеренное разрушение облегчается при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы.
Одни и те же (по составу) сплавы в зависимости от предшествующей обработки и метода испытания могут быть и вязкими и хрупкими.
Многие металлы (Fe, Mo, W, Zn и др.), имеющие ОЦК и ГПУ кристаллические решетки, в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обусловливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости. Явление хладноломкости можно объяснить схемой А. Ф. Иоффе. Понижение температуры практически не изменяет сопротивления отрыву (разрушающего напряжения), но повышает сопротивление пластической деформации σт (предел текучести). Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко, В указанных условиях сопротивление отрыву достигается при напряжениях, меньших, чем предел текучести. Точка пересечения кривых σт, и δотр, соответствующая температуре перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, получила название критической температуры хрупкости, или порога хладноломкости (tnx) Чем выше скорость деформации, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению. С увеличением остроты и глубины надреза склонность к хрупкому разрушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем больше вероятность хрупкого разрушения (масштабный фактор).
Для установления степени надежности материала определяют его сопротивление разрушению: вязкому (удельная энергия разрушения КС) и хрупкому (порог хладноломкости ) при испытаниях на ударный изгиб.
Рис. 3.4. Схемы хрупкого (I) и вязкого (II) разрушений стали в