Механика вязкого разрушения

Характерные особенности поверхностей хрупкого и вязкого разрушения на микроуровне во многом подобны особенностям, наблюдаемым в макромасштабе, т.е. невооруженным глазом. Например, такие кардинально различные механизмы хрупкого и вязкого разрушения, как скол и скольжение в кристаллических твердых телах, образуют характерный рельеф независимо от того, с каким увеличением рассматривать поверхность разрушения.

На рис. 7. приведена схема, иллюстрирующая три основных типа разрушения в соответствии с механизмами распространения трещин. Сектор А объединяет процессы разрушения, сопровождаемые низким уровнем поглощения энергии, т.е. процессы распространения трещин при малых деформациях, когда каждая трещина автономна и при распространении каждой образовавшейся трещины ее фронт сохраняется в течение всего процесса разрушения. Такие трещины обычно возникают на свободной поверхности или в ее ближайшей окрестности в процессе скола, усталости, коррозионного растрескивания под напряжением и распространяются внутрь материала.

Рис.7. Три основных типа разрушения, различаемых по характеру распространения трещин внутрь материала.

Сектор В отображает процессы, сопровождаемые чрезвычайно высоким уровнем пластических деформаций и соответственно высоким уровнем поглощения энергии. Несмотря на интенсивное пластическое течение, здесь также можно выделить фронт разрушения, движущийся внутрь от свободной поверхности. Сектор С объединяет те механизмы роста трещин, основной особенностью развития которых являются зарождение, рост и слияние внутренних свободных поверхностей (микропор) в их вершине. Микропоры в конечном итоге объединяются в макропоры, а макроскопическое разрушение происходит тогда, когда трещина скачкообразно распространяется от одной поры к другой. Такие разрывы распределены в деформируемом теле неравномерно, поэтому трещина может быстро проскочить некоторую локальную область, а затем ее движение может прекратиться до тех пор, пока не возрастут напряжения или не пройдет некоторый период времени, связанный с механизмами длительной прочности. Эти процессы (сектор С) обычно сопровождаются средним уровнем поглощения энергии.

Анализ электронной фрактографии поверхностей разрушения показывает, что в результате многих реальных процессов разрушения образуются области разрушения, которые либо содержат смежные участки, разрушенные по различным механизмам, либо образованы совместным действием двух или более механизмов. Факт существования смешанных механизмов разрушения подчеркивают заштрихованные полосы на рис.7.

Рассмотрим особенности механизма вязкого разрушения твердого тела, которое происходит при значительных пластических деформациях, поэтому для распространения трещины после ее зарождения необходимы затраты определенной работы напряжений на пластических деформациях:

где σ – средняя напряженность, ε – средняя деформация, p – сжимаемость.

Вязкому разрушению уделяют меньше внимания, чем хрупкому, что связано с меньшей его опасностью при использовании конструкционных материалов, особенно металлов. Напряжение вязкого разрушения превышает значение макроскопического предела текучести материала, используемого при расчетах на прочность, а скорость вязкого разрушения значительно меньше скорости распространения хрупких трещин. Вязкое разрушение — это обычный механизм разрушения металлов с ГЦК-решеткой, а также металлов с ОЦК- и ГПУ-решетками, деформирующихся при температурах, существенно превышающих порог хладноломкости Т_с. Идеальным случаем вязкого разрушения является пластическое деформирование, непрерывно сопровождающее процесс нагружения и приводящее в итоге к разделению материала (рис. 8).

Рис. 8. Схема разрыва материала при одноосном растяжении.

Однако это очевидно лишь в случае разрушения чистого монокристалла, деформирование которого сопровождается реализацией полного сужения (^=100%)в области шейки, но не очевидно для процессов разрушения поликристаллов, иногда протекающмх без большого сужения (см. рис. 1.2, б), хотя при этом наблюдаются признаки вязкого разрушения.

Рассмотрим внешние проявления вязкого разрушения металлов при

испытаниях идентичных образцов на растяжение (рис. 9).

Рис. 9. Возможные типы вязкого разрушения

Монокристаллы металлов с ГПУ-решеткой (например, цинк и бериллий) разрушаются по типу 1 скольжением в плоскости базиса. По типу 2 с образованием шейки, вырождающейся в линию, разделяются на две части монокристаллы ряда металлов с ГЦК-решеткой (например, медь, серебро). Другие металлы с такой же решеткой (например, сплав меди с алюминием) разрушаются после интенсивного скольжения по типу 3. Пластичные поликристаллические металлы с ГЦК-решеткой могут полностью вырабатывать ресурс пластичности, разделяясь после 100 %-ного сужения в шейке по типу 4. Менее пластичные поликристаллы с ГЦК-решеткой и поликристаллы с ОЦК-решеткой разрушаются по типу 5.

Последний тип разрушения, занимающий промежуточное положение между хрупким разрушением и типами 1 — 4, на практике является основным типом вязкого разрушения. При разрушении по типу 5 происходит пластическое деформирование и одновременно образуется трещина. Обычно под термином "вязкое разрушение" на макроскопическом уровне понимают именно этот тип разрушения.

Вязкое разрушение по типам 1 и 3 возникает при относительно высокой температуре, когда число действующих плоскостей скольжения мало, а вероятность их блокировки невелика. При этом практически не образуются дислокационные скопления, вызывающие концентрацию напряжений, и скольжение легко выходит на поверхность образца, вследствие чего происходит соскальзывание одной части кристалла относительно другой.

Понижение температуры приводит к возрастанию сопротивления движению дислокаций, скольжение уже не может локализоваться в нескольких параллельных плоскостях, так как одновременно начинают действовать другие системы скольжения. В конечном итоге разрушение происходит по типам 2 и 4.

Начальной стадией разрушения по типу 5 является образование трещины в районе шейки, которое происходит при блокировке системы скольжения какими-либо препятствиями, имеющимися в структуре поликристалла.

Итак, вязкое разрушение в наиболее чистой форме представляет собой пластическое деформирование, приводящее к разделению материала на части (разрыву), однако это не очевидно для поликристаллов, разрушающихся, как правило, без большого сужения (от 10 до 40 %).

Макроскопическое изучение внешнего вида поверхности разрушения, происшедшего при температуре, превышающей порог хладноломкости Т_с, показывает, что для большинства поликристаллических материалов преимущественным типом разрушения при сдвиге является вязкое разрушение. При этом внешний вид поверхности разрушения вязких крупнозернистых материалов по своему характеру чаще бывает более волокнистым, чем серый бархатистый внешний вид поверхности, свойственный мелкозернистым вязким материалам. Электронная фрактография поверхностей разрушения показывает, что в обоих случаях на поверхности разрушения имеются ямки (впадины), которые являются следствием роста микропор вокруг частиц второй (хрупкой) фазы перед движущейся вершиной трещины.

Действительно, промышленные металлы и сплавы могут содержать три типа частиц второй фазы:

— малые частицы (до 5*10^-8 м), например присадки, необходимые для получения высокого предела текучести;

— частицы промежуточного размера (5*10^-8 ... 5*10^-7 м), служащие для увеличения твердости и предела текучести, а также для задержки роста размеров зерен;

— большие частицы (5*10^-7 …5*10^-5 м и более), которые в некоторых материалах могут служить для повышения твердости и износоустойчивости.

Распространение трещин в таких металлах и сплавах обычно сопровождается одновременным образованием и ростом пор в окрестности включений и частиц второй фазы. Несмотря на то, что разрушение, инициированное трещинами, сопряжено с малыми пластическими деформациями, т.е. с инженерной точки зрения оно хрупкое, микромеханизм разрушения является все-таки вязким. Феноменология такого процесса учитывает различие свойств матрицы и твердых частиц второй фазы, например цементита Fe₃C в сталях. Несоответствие показателей упругости и пластичности матрицы (основной фазы) и частиц второй фазы (или каких-либо включений) приводит к разделению материала по границе между ними в процессе деформирования. Вблизи включений и частиц второй фазы возникают поры, развитие (вытягивание) которых разделяет образец материала на ряд перетяжек, образующих шейки (рис. 10). Эти перетяжки можно представить как миниатюрные образцы для испытаний на разрыв, которые деформируются либо путем образования шейки, либо просто скольжением. Образующаяся поверхность разрушения содержит небольшие "чашечки" (впадины, или ямки, травления), появившиеся в результате разрастания маленьких смежных пустот, происходящего до тех пор, пока материал между ними не подвергнется пластическому течению и разрыву в местах перетяжек. Интенсивность пластического деформирования в результате слияния пор (микропустот) столь мала, что не поддается измерению на макроуровне, но локально пластическая деформация достигает уровня сотен и тысяч процентов по удлинению растяжения перетяжек между растущими порами.

Описанная идеальная модель вязкого разрушения в некоторых случаях имеет более сложный механизм. Например, разрушение может начинаться не с разделения по границе между включением и матрицей, а с разрушения самого включения вследствие скопления вокруг него дислокаций.

Рис. 10. Три основных наблюдаемых механизма слияния пустот: а — нормальный разрыв, слияние происходит вследствие равномерного пластического деформирования в направлении приложенной нагрузки; б — сдвиговой разрыв, слияние происходит вследствие совместного пластического течения в направлении приложенной нагрузки и сдвигового деформирования по плоскости максимального напряжения сдвига; в — расклинивание, слияние происходит вследствие неравномерного деформирования в направлении приложенной нагрузки

Кроме того, в упрочненных монокристаллах некоторых металлических

сплавов вязкое разрушение может быть связано с развитием полос скольжения: вследствие интенсивного локализованного сдвига в этих полосах у подножия ступенек сдвига возможно образование трещин вязкого разрушения, распространяющихся затем через зону сдвига в результате слияния пор перед их вершинами.

Итак, общая картина вязкого разрушения обычно включает образование пор в некоторых микрообъемах с последующим их ростом в продольном и поперечном направлениях до полного слияния. Вообще говоря, поры разрастаются от различных внутренних свободных поверхностей, либо возникших в процессе литья, механической обработки или термообработки, либо вызванных дефектами структуры, появившимися в результате последующих нагрузок в процессе эксплуатации изделия. Эти дефекты структуры возникают на ослабленных границах между частицами выделений (частицами второй фазы) и матрицей или между включениями и матрицей, являясь одним из главных источников образования внутренних свободных поверхностей при относительно низких напряжениях. Аналогичное воздействие на структуру деформируемого твердого тела могут оказывать интерметаллические включения. При этом поры легче образуются вокруг крупных включений, чем мелких. Внутренние поры сотнями и тысячами возникают даже в небольших нагруженных образцах, а их рост и слияние препятствуют интенсивному пластическому макродеформированию и диссипации энергии деформирования. В окрестности образующихся пор отсутствует трехосное напряженное состояние, поэтому пластическое течение возможно при относительно малых значениях приложенных напряжений. Для возникновения пор необходимы большие локальные пластические деформации, причем матрица должна деформироваться более интенсивно, чем включения. Последние должны быть некогерентны с матрицей, так как когерентные частицы просто перерезаются линиями скольжения.

Процесс роста пор находится вне области непосредственной применимости предельных условий пластического течения и разрушения, так как этот рост приводит к существенному изменению геометрии деформируемого объема. В то же время критерии прочности и пластичности могут быть полезными для изучения влияния пор на процессы деформирования и разрушения на любой устойчивой стадии роста пор, ибо можно поры рассматривать как заданную систему отверстий и определять предельные нагрузки для материала, содержащего эту систему отверстий. В соответствии с моделями механики рассеянных повреждений малая объемная доля крупных включений не может заметно повлиять на развитие процесса пластического деформирования на начальной стадии и поэтому приводит лишь к небольшому увеличению предельной нагрузки. На следующем этапе, когда происходит рост и слияние пор, небольшое уменьшение значения предельной нагрузки уравновешивается упрочнением матрицы. И только тогда, когда поры занимают достаточно большой относительный объем деформируемой области материала, они будут вызывать существенное ослабление материала. Именно поэтому разрушение материала в центральной области шейки растягиваемого образца в большей степени определяется неустойчивым слиянием растущих пор, нежели локальным или общим скольжением. Экспериментальные наблюдения показывают, что скольжение проявляется в области внешней поверхности образца (тип 5 на рис. 9), где свободное (нестесненное) деформирование достигает свободной поверхности.

Построение типичных моделей роста и слияния пор различной регулярной и нерегулярной конфигурации, как правило, основано на описанной выше феноменологии процесса вязкого разрушения и использовании уравнений неразрывности, движения, физических соотношений, а также критериев пластичности, являющихся следствиями известных классических теорий прочности и пластичности. Рассмотрим (без вывода) предельные условия слияния (коалесценции) пор различной геометрии в случае двухосного напряженного состояния.

Дата добавления: 2015-08-13