Лабораторна робота № 1 Дослідження процесів руйнування кристалічних та аморфних матеріалів

Мета роботи: провести порівняльні дослідження структури, фізико-механічних властивостей крихких та пластичних матеріалів

1.1. Загальні положення

Відомо, що для таких конструкцій як судна, мости, балони високого тиску, газопроводи, шлюзи, ємності для зберігання рідких газів існує небезпека руйнування, часто несподіваного. Інженерам потрібно було пройти довгий шлях, повний сумнівів і катастроф, щоб переконатися в корисності власних розрахунків на міцність. Разом з тим виявилося, що такий розрахунок, який може бути здійснений тільки на основі вивчення механізму зародження та розвитку процесу руйнування, може здешевити подібну конструкцію. Проте поки повністю не розкрита природа явища руйнування, проблему не можна вважати вирішеною, оскільки без знання основних закономірностей та причин руйнування не можна бути впевненим, що вжиті заходи оптимальні. Саме знання механізму та причин руйнування дає можливість створити умови, у яких вказаний процес буде неможливим.

1. Особливості руйнування твердих кристалічних тіл

Питання руйнування твердих тіл пов'язано з однією з найважливіших проблем сучасного матеріалознавства - проблемою міцності.

За характером деформування матеріалу в процесі руйнування умовно розділяють на крихке та в’язке. Руйнування називають крихким, якщо воно відбувається при переважно пружному деформуванні матеріалу, тобто при напруженнях, менших за умовну границі плинності. Як правило, крихке руйнування твердих тіл спостерігається при низьких температурах, високих швидкостях навантаження, багатоцикловій втомі.

В’язким називають руйнування, що супроводжується розвитком помітних пластичних деформацій. Такий характер руйнування спостерігається при підвищеній температурі, високому зовнішньому тиску, малоцикловій втомі.

У кожному випадку руйнування не є миттєвою критичною подією. Руйнування - це процес накопичення пошкоджень, що відбувається в часі і у просторі. Закінчується цей процес втратою несівної здатності через втрату суцільності.

За характером активізації процесу у просторі руйнування підрозділяють на локалізовані та об'ємні. Локалізоване руйнування уявляє собою розвиток і поширення однієї або декількох макроскопічних тріщин. Руйнування внаслідок поширення тріщин характерно для великогабаритних деталей машин та елементів конструкцій, у матеріалі яких у вхідному стані є макроскопічні дефекти у вигляді тріщин.

Об'ємне руйнування уявляє собою процес накопичення пошкоджень на мікро- і макрорівні рівномірно в усьому об'ємові матеріалу. Таким чином, об'ємне руйнування уявляє собою процес розпушення структури матеріалу. Саме такий характер руйнування спостерігали О. Я. Берг при стисканні бетону та П.В. Бріджмен при розтягуванні скла під тиском.

Якщо навколо вершини тріщини утворюється значна зона пластично-деформованого матеріалу, таке руйнування називають в’язким. Для характеристики в’язкої тріщини розроблено математичний апарат нелінійної механіки руйнування.

В області вершини крихкої тріщини матеріал перебуває практично в пружному стані або розмір пластичної зони настільки малий у порівнянні з розміром тріщини, що ним можна нехтувати. Для крихких тріщин справедливий математичний апарат лінійної механіки руйнування, заснований А. А. Гріффітсом в 1920р.

Викладена вище класифікація відображає все-таки не процес руйнування, а явища, що передують розриву матеріалу. Тому така класифікація є умовною, на стільки, наскільки умовною є границя плинності та наскільки чутливими є засоби вимірювання пластичної деформації перед розривом. На практиці під крихким руйнуванням можна розуміти поділ матеріалу на окремі частини без помітної попередньої деформації.

Сувора класифікація руйнування можлива тільки на основі фізичних параметрів процесу, пов'язаних з механізмом пошкодження в часі. Один і той же матеріал при різних умовах (температура, тиск, швидкість навантаження, вид напруженого стану та ін.) може руйнуватися в одних випадках крихко, а в інші – в'язко. Тому крихкість і пластичність - це не властивості матеріалу, а його стан. Поділ конструкційних матеріалів на крихкі та пластичні, що існує в інженерній термінології, є умовним і у першу чергу відображає механічні властивості цих матеріалів при невеликих швидкостях навантаження в нормальних умовах (при нормальному атмосферному тиску і при кімнатній температурі).

Тверді тіла залежно від виду руйнування ділять на три групи:

1. Крихкі матеріали. Крихкими називають матеріали, які при навантаженні деформуються тільки пружно до руйнування. Не можна вказати точне максимальне значення деформації, що передує руйнуванню, але звичайно воно становить менше 1%. Зовсім крихкими в точному значенні цього слова є порівняно небагато металів. Проте крихке руйнування характерно для більшості керамічних і металокерамічних матеріалів, а так само проміжних з'єднань. Найбільш явною макроскопічною особливістю руйнування більшості звичайних крихких матеріалів, є швидке поширення тріщин у матеріалі. Однак ця особливість спостерігається не тільки в крихких матеріалах.

2. Пластичні матеріали. Руйнуванню пластичних матеріалів передує значна пластична деформація. Тріщину, що звичайно поширюється повільно, можна затримати зменшивши навантаження. Більшість металів, якщо вони досить чисті, відносяться до цієї групи. Форма зламу після руйнування може відрізнятися залежно від напруженого стану (частковий злам, зріз, скручування й ін.), але усі вони характеризуються деякою незворотньою пластичною деформацією.

Наприклад, при - 272С Al чистотою 99,994 % мас. має звуження 62 %, а при наявності 1% домішок його звуження не перевищує 30 %.

3. Напівкрихкі матеріали. В одних умовах руйнуються в основному крихко, в інших в’язко. Характер руйнування залежить звичайно від виду напруженого стану і таких важливих факторів, як температура та швидкість деформації. До напівкрихких матеріалів відносять метали з гексагональною і ОЦК ґратками. Поводження перших у значній мірі залежить від орієнтації, у поводженні останніх важливу роль виконують домішки.

Зовсім пластичними можна вважати лише метали із ГЦК ґратками, але й серед них є виключення і їх пластичність залежить від концентрації домішок.

Ознаки зламу крихкого і пластичного матеріалу наведено у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 - Ознаки зламу крихкого і пластичного матеріалу

Характерні ознаки	Крихкий матеріал	Пластичний матеріал
Кристалографічний характер руйнування	Відкол	Зріз
Зовнішній вигляд зламу	Кристалічний	Волокнистий
Швидкість поширення тріщини	Висока (нестійка тріщина)	Низька (стійка тріщина)

До основних факторів зовнішнього впливу варто віднести температуру, час, тиск, вид напруженого стану, середовище (контакт із хімічно активною речовиною, наявність радіаційного опромінення та ін.). На характеристики пластичності та міцності впливають також конструктивні та технологічні фактори, такі як розміри твердого тіла, легування, термообробка. Вплив конструктивних і технологічних факторів пов'язаний зі структурою матеріалу, тому пояснення характеру зміни механічних властивостей вимагає фізичного підходу до розглянутого питання.

Такий підхід вперше був здійсненний академіком АН СССР Френкелем Я. І. (1894 - 1952). Ним була оцінена теоретична міцність кристала на зсув виходячи із простої моделі двох рядів атомів, що зміщуються один відносно одного під дією напружень зсуву. При цьому вийшло, що її значення становить . Для заліза в якого модуль ; теоретична міцність вийшла в 1000 разів більше реальної міцності ( ). Теж приблизно для міді , а , тобто в 76000 разів теоретична міцність більше реальної. Різниця в значеннях теоретичної та реальної міцності була пояснена тим, що деформація здійснюється послідовним проходженням дислокацій вздовж площини ковзання, а не шляхом одночасного зсуву по всьому кристалі (як передбачалося при розрахунку) та наявністю мікроскопічних тріщин.

При зниженні температури випробувань у таких матеріалах показник зміцнення або не змінюється, або зменшується, проте несуттєво. Незначне зниження показника зміцнення спостерігається також і у випадку підвищення границі плинності після термообробки.

Температура, як правило впливає на величину границі плинності більш сильно ніж на границю міцності, тому при низьких температурах спостерігається перехід матеріалу із пластичного стану у крихкий. Першою демонстрацією такого переходу стала опублікована в 1924 р. схема А. Ф.Іоффе, отримана за результатами випробувань кристалів хлористого натрію. Схема Іоффе була підтверджена випробуваннями багатьох матеріалів. Температура, при якій границя плинності і границя міцності стають рівними, одержала назву температури крихкості Tкр. При цій температурі руйнування відбувається при відсутності макропластичних деформацій, а при температурі нижче температури крихкості стан плинності стає взагалі неможливим.

Температура крихкості залежить від швидкості навантаження, часу та виду напруженого стану.