Механическое разрушение твердых тел

Скорость процессов механического разрушения деталей зависит от структуры и свойств материала, геометрической формы и состояния поверхности, от напряжения, вызываемого нагрузкой и температурой.

В настоящее время экспериментально получены зависимости для ресурса материала t_p, и скорости разрушения материала υ_ε (8.2) от напряжения s и температуры T:

, (8.1)

где R – универсальная газовая постоянная; W₀ – начальная энергия активации процесса разрушения при (постоянная для данного материала в широкой области температур и не зависящая от обработки материала); W₀ – γσ – энергия активации разрушения; τ₀ – параметр, совпадающий по значению с периодом собственных тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке твердого тела, постоянный для всех материалов и не зависящий от обработки материала и условий нагрузки; γ – характеристика чувствительности материала к напряжению; t_p – наработка до отказа.

Из формулы видно, что при уменьшении температуры до нуля время разрушения увеличивается до бесконечности. Это означает, что разрушение при нагрузках ниже критической в отсутствие теплового движения атомов не происходит. Скорость разрушения материалов:

, (8.2)

Величина U = U₀ – γσ характеризует энергию активации процесса разрушения, U₀ – начальную энергию активации процесса разрушения при σ = 0, постоянную для данного материала в широкой области температур и не зависящую от вида обработки материала. Параметры τ₀ и τ₀^-1 = ω₀, постоянные для конструкционных металлов и их сплавов, полимеров и ионных кристаллов, совпадают по величине соответственно с периодом и частотой собственных тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке твердого тела (равны 10^–12...10^–14 c и 10¹²...10¹⁴Гц). Параметр γ характеризует структурный коэффициент, определяющий чувствительность материала к напряжению.

Выражения (8.1), (8.2) справедливы для чистых металлов, сплавов, полимерных материалов, полупроводников, органического и неорганического стекол и др.

У металлов разрушение определяется в основном двумя процессами: разрывом межатомных связей при тепловых флуктуациях и направленной диффузией вакансий к трещинам. Нарушение сплошности металла происходит в результате диффузии вакансий к трещинам, т.е. роста трещин из-за притока вакансий. Для диффузионного механизма разрушения получена следующая температурно-временная зависимость прочности:

(8.3)

где D – коэффициент объемной самодиффузии, равный ; U_D – энергия активации самодиффузии; n₀ – количество объединившихся вакансий; a – атомный размер; σ – действующее напряжение; E – модуль упругости; c – численная константа; k – постоянная Больцмана.

Для обеспечения прочности деталей обычно повышают прочностные характеристики материала. Параметрами прочности являются пределы прочности, пропорциональности, текучести, ползучести, выносливости и др.

Отказы по параметрам прочности чаще всего связаны с изломом деталей машин или элементов конструкций или с недопустимой величиной их деформации.

Изломы подразделяются на две большие группы: хрупкие и вязкие.

Под хрупким изломом понимают излом без признаков макроскопических пластических деформаций. Разрушение происходит вдоль определенных кристаллографических плоскостей зерна (плоскости скола) или по границам зерен. Так как распространение трещины при хрупком разрушении происходит в результате разрывов межатомных связей по кристаллографическим плоскостям зерен, то эти плоскости хорошо отражают световые лучи и поверхность разрушения при хрупком изломе – блестящая (кристаллическая). Хрупкое разрушение происходит в тех случаях, когда появляются факторы, препятствующие пластическим деформациям. Например, при изменении под воздействием эксплуатационных нагрузок свойств материала (выделение хрупких карбидов, накопление усталостных повреждений, охрупчивание границ зерен и т.п.). Хрупкое разрушение происходит, как правило, мгновенно без видимых изменений состояния объекта.

Пластическому или вязкому излому предшествует макроскопическая пластическая деформация, вызванная сдвигом в плоскостях скольжения или плоскостях скола и по границам зерен. В этом случае параллельно с ростом трещины происходит процесс пластической деформации металла около трещины, и энергия нагружения затрачивается как на образование новых поверхностей раздела, так и на пластическую деформацию. Поверхность разрушения при вязком изломе не будет идеально гладкой: она рассеивает световые лучи и выглядит матовой (волокнистой). Скорость разрушения при вязком изломе мала.

В зависимости от приложенных нагрузок изломы подразделяются на динамические, усталостные, изломы от превышения предела прочности, изломы при изгибающих и скручивающих нагрузках.

К динамическим относятся изломы, происходящие внезапно под действием перегрузок или удара. Среди динамических изломов следует различать хрупкие изломы с крупнозернистой поверхностью у практически недеформируемых материалов и гладкие изломы от сдвига, проходящие по направлению максимального касательного напряжения и связанные со значительной пластической деформацией.

К усталостным относятся изломы под действием переменных нагрузок, когда разрушение наступает после приложения большого числа циклов нагружений.

Усталостные изломы имеют ряд характерных признаков, позволяющих их отличать от других видов излома (рис. 8.1). Обычно на поверхности излома различают пять характерных зон:

1) фокус излома – малая локальная зона, близкая к точке возникновения начальной макроскопической трещины усталости. Обычно фокус излома располагается на поверхности детали в местах концентрации напряжений или поверхностных дефектов. Если в деталях были внутренние дефекты или детали подвергались поверхностному упрочнению, фокус излома может располагаться внутри детали. Очаг разрушения – небольшая зона, прилегающая к фокусу излома. При больших напряжениях может быть несколько очагов разрушения. На поверхности излома эта зона имеет наибольшие блеск и гладкость. Усталостные линии на очаге разрушения обычно отсутствуют.

2) зона развившейся трещины усталости. В этой зоне видны характерные усталостные линии, волнообразно расходящиеся от очага разрушения.

3) участок избирательного развития соответствует зоне развившейся трещины усталости. В этой зоне видны характерные усталостные линии, волнообразно расходящиеся от очага разрушения. Форма усталостных линий зависит от формы детали и характера нагружения. Направления развития трещины могут отклоняться от первоначального. При этом образуются зародыши трещин, развивающиеся в другом направлении, называемые иногда пасынковыми. От их слияния образуются вторичные ступеньки и рубцы.

4) участок ускоренного развития трещины является переходной зоной между участками усталостного развития трещины и зоной долома. Эта зона образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончательному разрушению.

5) зона долома имеет все признаки хрупкого разрушения.

Рис. 8.1. Схема усталостного излома деталей: 1 – фокус излома и очаг разрушения; 2 – вторичные ступеньки и рубцы; 3 – усталостные линии деталей; 4 – зона ускоренного развития трещин; 5 – зона доламывания

Излом от сдвига при кручении может иметь место в деталях, изготовленных из вязких материалов. Структура излома ровная, гладкая, с ярко выраженным пластическим скручиванием. Поверхность излома имеет волокнистую структуру. Из-за небольшой пластической деформации материала поверхность излома оказывается не такой гладкой, как при динамическом изломе от сдвига.

Недопустимая величина деформации, приводящая к отказу деталей, может возникать в процессе эксплуатации деталей при высоких температурах. Важной характеристикой прочностной надежности в этом случае является ресурс по ползучести.

Ползучесть – это явление, заключающееся в том, что металл, нагруженный при высокой температуре, непрерывно деформируется под воздействием постоянных во времени напряжений. Обычно различают четыре стадии процесса ползучести (рис. 8.2.): стадия упругой и упругопластической деформации не связанная с процессом ползучести (участок ОА); стадия неустановившейся ползучести (участок АВ); стадия установившейся ползучести (участок ВС). Четвертая стадия (участок СД) характеризуется увеличивающейся скоростью ползучести, которая продолжается до разрушения изделия. При высоких температурах и напряжениях вторая стадия ползучести может отсутствовать; в этом случае первая стадия непосредственно переходит в третью.

Ползучесть приводит к ослаблению сопротивляемости материала воздействию нагрузок. При этом напряжения, вызывающие разрушения, могут быть значительно меньше временного сопротивления при данной температуре. Способность материала сопротивляться разрушению при воздействии высокой температуры и напряжений характеризуется пределом длительной прочности.

Сопротивляемость ползучести оценивается суммарной деформацией за срок службы или скоростью ползучести:

. (8.4)

К разрушению материалов могут также приводить и процессы старения. Старением материалов называются процессы изменения их физико-механических свойств во времени в условиях длительного хранения или эксплуатации. Обычно старение обусловлено недостаточно стабильным (неравновесным) состоянием материала и постепенным его переходом в стабильное (равновесное) состояние.

Рис. 8.2. Кривая ползучести ε – τ (деформация – время)

К старению металлов и сплавов относятся все процессы изменения во времени их свойств, связанные с превращениями металлов и сплавов в твердом состоянии: аллотропическое и мартенситное превращения, растворение в твердом состоянии и распад пересыщенных твердых растворов, образование твердого раствора из эвтектоидной смеси и др.

Старение материала может приводить как к улучшению, так и к ухудшению отдельных свойств материалов. Во многих случаях технологическими процессами предусматриваются операции искусственного старения материалов с целью улучшения их свойств.

Дата добавления: 2015-08-13