Виды разрушения металлов

Существует три вида напряжений: сжимающих (отрицательных нормальных), растягивающих (положительных нормальных) и касательных. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызывать разрушения. Оно происходит под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения: 1) отрыв в результате действия растягивающих напряжений; 2) срез под действием касательных напряжений.

В табл.2 представлены схемы разрушения при разных схемах нагружения. Пользуясь табл.2, можно по внешнему виду разрушенных образцов определить вид разрушения (отрыв или срез), что в некоторых случаях имеет практическое значение. Но представленные схемы разрушения могут быть реализованы лишь в том случае, если заданная при нагружении схема напряжённого состояния остаётся неизменной от начала испытания и до окончательного разрушения образца. На самом деле эта схема обычно меняется как в процессе пластической деформации (например, при образовании шейки в растягиваемом образце), так и в процессе разрушения в результате образования трещин. Поэтому вид разрушенных образцов часто отличается от предсказываемого.

Таблица 2

Схемы разрушения путём отрыва и среза при различных механических испытаниях (по Я.Б. Фридману)

Считается, что отрыв может произойти без предварительной макропластической деформации, в то время как разрушение путём среза такая деформация всегда предшествует. Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез – вязкому разрушению. Именно на эти два типа подразделяются большинство случаев разрушения в металловедении.

Установлено, что любому, в том числе хрупкому разрушению металлов и сплавов, предшествует какая-то пластическая деформация. Перед хрупким разрушением она обычно намного меньше, чем перед вязким, но чёткой количественной границы здесь провести нельзя.

Оба типа разрушения – вязкое и хрупкое – включают в себя две стадии: 1) зарождение зародышевой трещины; 2) её распространение. По механизму зарождения трещин они принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано с энергоёмкостью и скоростью распространения трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика, она достигает 0,4 – 0,5 от скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется в основном с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

Причина хрупких конструкционных разрушений так же, как и других видов разрушения, в большинстве случаев носит комплексный характер: часто это хрупкое состояние материала (исходное или возникшее при определенных условиях работы), наличие хрупких зерен или хрупкого слоя на поверхности, неблагоприятное конструктивное исполнение (наличие «жестких» концентраторов напряжений, пересечение сварных швов и т. п.), наличие внутренних остаточных напряжений. Имеют значение также условия эксплуатации (низкие температуры, ударные нагрузки, наличие активных сред и т. п.).

Примером наличия внутри металла микроскопических по размерам хрупких зон являются флокены. Флокены – хрупкие, тонкие трещины, распространяющиеся, как правило, в одной плоскости, в изломе имеющие вид овальных или круглых пятен; встречающиеся чаще всего в легированной стали (хромоникелевой). Основной причиной образования флокенов является присутствие в стали водорода, растворенного в жидком металле. При затвердевании и охлаждении металла растворимость водорода резко уменьшается, выделившийся водород скапливается в отдельных объемах (например, в микропорах на стыках зерен и т. д.) и вызывает в металле возникновение очень тонких трещин.

Для хрупкого разрушения (рис. 1, 2, 3, а) типична острая, часто ветвящаяся трещина с большой скоростью распространения без пластической деформации при ее росте. Трещина движется за счет накопленной упругой энергии.

Для вязкого разрушения (рис. 1, 2, 3, б) характерны тупая, раскрывающаяся трещина с малой скоростью распространения и значительной пластической деформацией металла при ее продвижении, а также чашечное строение излома. Чашечный излом – результат пластической деформации, вызванной движением тупой трещины.

Рис. 1 Виды трещин:

а ‑ хрупкая; б – вязкая

а б

Рис. 2 Схемы разрушений (сечение перпендикулярно

поверхности излома):

а – хрупкое разрушение; б – вязкое разрушение

В действительности в металлах не бывает ни чисто вязкого, ни чисто хрупкого разрушения. Поэтому когда говорят о вязком или хрупком разрушении металла, это значит, что явно превалирует один из описанных механизмов. Довольно часто встречаются случаи смешанных разрушений, где фрактографически (т. е. изучением поверхности изломов) можно определить долю того или другого вида.

а б

Рис. 3 Топограммы поверхности изломов при исследовании в

просвечивающем электронном микроскопе:

а – хрупкий излом; б – вязкий излом

Дата добавления: 2015-08-13