2.1. ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

2.1.1. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

2.1.1.1. МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРУШЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ОДНООСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ И ИХ СВЯЗЬ С МИКРОМЕХАНИЗМАМИ РАЗРУШЕНИЯ

Основными механическими свойствами материала, характеризующими разрушение образца, являются критическая деформация (или предельная пластичность) и «истинное» разрушающее напряжение В различных металлах зависимости ведут себя различно. Во многом это определяется типом кристаллической решетки металла. У металлов с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК металлов) температурная зависимость механических свойств в широком диапазоне температур [211, 242, 243] практически отсутствует. Примерно так же ведут себя и предельные характеристики в пластичных металлах с гексагональной плотноупакованной решеткой (ГПУ металлах), например в -титане, хотя влияние температуры сказывается на них сильнее [211].

Более сложные зависимости критических параметров от температуры наблюдаются у металлов с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК металлов), для которых типично явление хладноломкости [211, 242]. Впервые весьма подробно исследование поведения ОЦК металлов при различных температурах было сделано в работе [31]. Детальное, обобщающее многие экспериментальные работы, исследование критических характеристик разрушения различных ОЦК металлов с простой структурой проведено в работе [211], где также выполнен фрактографический анализ изломов образцов в зависимости от

температуры испытаний. В качестве иллюстраций на рис. 2.1 на примере молибдена представлены типичные для ОЦК металлов зависимости от температуры. Как видно из рисунка, разрушающее напряжение имеет сложную температурную зависимость. В области хрупкого разрушения сначала падает, постепенно отдаляясь от кривой вблизи температура плавления) достигает минимума, после чего резко возрастает. В точке максимума кривой происходит смена механизма разрушения от хрупкого к вязкому. В области вязкого разрушения зависимость от имеет плато и (или) слабо убывает.

Рис. 2.1. Температурные зависимости разрушающего напряжения предела текучести и критической деформации для поликристаллического молибдена [211]

На кривой также можно выделить характерные участки (рис. 2.1). На первом из них при низких температурах образцы хрупко разрушаются практически без пластической деформации; с ростом температуры пластическая деформация при хрупком разрушении резко увеличивается. На втором участке вязкое разрушение характеризуется слабым повышением критической деформации с ростом температуры. Третий участок располагается также в области вязкого разрушения и представляет собой протяженное плато: разрушение ОЦК металлов на нем происходит после накопления значительной деформации

Анализ фрактур ОЦК металлов [211] показал, что каждому из выделенных участков кривых соответствует строго определенный тип фрактур. Нижнему шельфу кривой соответствует фрактура скола. При самых низких температурах испытания на изломе обнаруживаются один-два очага разрушения. С повышением температуры количество очагов разрушения увеличивается. Иногда в пределах одного зерна наблюдается несколько трещин скола: фрактура излома переходит от чисто скольной к микроскольной. При дальнейшем повышении температуры растет; типичной фрактурой в этом случае становится квазискол, для которого характерно хрупкое разрушение материала после значительной предварительной пластической деформации. В области достижения кривой максимума преобладает фрактура расслоения, образуемая в результате раскрытия трещин вдоль линий сбросообразования (на большеугловых границах деформационного

происхождения) параллельно оси растяжения. При дальнейшем повышении температуры, когда слабо падает, а практически неизменно, основным механизмом разрушения становится вязкий механизм образования, роста и объединения пор. В данном случае разрушение как ОЦК металлов, так и металлов характеризуется чашечным изломом.

Таким образом, весьма обширными исследованиями [211] установлено, что в ОЦК металлах с простой структурой при изменении температуры испытания наблюдается закономерная смена механизмов разрушения.

Подобные эксперименты применительно к материалам со сложной структурой, характерной для большинства конструкционных материалов, были проведены в работе [212], где в качестве объекта исследования были взяты перлитные стали средней прочности

Сталь марки исследовали в состоянии поставки, сталь марки в исходном состоянии поставки и после дополнительной термообработки по режиму: закалка в воде с температуры отпуск в течение на воздухе при температуре

На рис. 2.2 представлены полученные в работе [212] температурные зависимости Как видно из данных рис. 2.2, зависимости для всех исследованных сталей подобны, причем они имеют вид, характерный для ОЦК металлов с простой структурой. На рис. 2.3 представлены кривые Характер изменения этой величины при изменении температуры испытания аналогичен соответствующим зависимостям для других ОЦК металлов.

Рассмотрим результаты фрактографических исследований.. Предпринятый в работе [212] анализ поверхности разрушения указанных сталей показал, что в условиях одноосного растяжения смена механизмов разрушения при изменении температуры: испытания подчиняется общим для простых моно- и поликристаллов с ОЦК решеткой закономерностям и в изломе можно наблюдать следующие фрактуры: скол, расслоение, чашечную. При разрушение происходит по механизму микроскола. В качестве примера на рис. 2.4, а и б показана поверхность разрушения стали в исходном состоянии и после термообработки. Характерный размер фасеток скола составляет 10-20 мкм. С повышением температуры деформирования в изломе появляются вязкие составляющие: расслоения и ямки. В температурном интервале от —160 до фрактура становится смешанной: присутствуют трещины расслоения, фасетки скола и ямки (рис. 2.4, в); с ростом температуры постепенно уменьшается доля хрупкой составляющей и увеличивается вклад вязких компонент. При фасеток скола в изломе нет, в температурном диапазоне от —100 до -50 °С количество расслоений максимально (средняя их плотность

порядка причем наблюдаются крупные радиально ориентированные расслоения (рис. 2.4,г), средняя длина которых составляет Отметим, что для исследованных сталей фрактура расслоения в чистом виде не реализуется (в изломе

Рис. 2.2. Температурные зависимости предела текучести предела прочности разрушающего напряжения максимального по сечению шейки главного напряжения для сталей после дополнительной термообработки [212]

Рис. 2.3. Температурная за висимость критической деформации для сталей после дополнительной термообработки (3) [212]

всегда присутствуют другие составляющие — фасетки скола, ямки), что проявляется и на ходе температурной зависимости критических напряжений (см. рис. 2.2): на кривой отсутствует плато, характерное для разрушения по механизму расслоения, как, например, в случае молибдена [211].

Рис. 2.4. (см. скан) Типичные фрактуры перлитных сталей: а — микроскол, сталь микроскол, сталь после дополнительной термообработки, в — смешанная фрактура; микроскол, расслоения, ямки, сталь общий вид излома, сталь после дополнительной термообработки, чашечный излом, сталь

При дальнейшем повышении температуры испытания основным механизмом разрушения становится механизм роста и объединения пор; так, при средняя длина крупных расслоений достигает только при расслоение в изломе практически отсутствует. Чашечный характер излома в области умеренных температур показан на рис. Средний диаметр крупных ямок составляет примерно мелких — около

Изложенные здесь закономерности относятся как к сталям в исходном состоянии, так и к стали после дополнительной термообработки, однако для последнего случая температурные границы сдвинуты в область повышенных температур примерно на 50°. Отметим, что этот температурный сдвиг проявляется и в ходе температурной зависимости критических разрушающих напряжений (см. рис. 2.2): максимальных значений величина для стали в исходном состоянии достигает при а для термообработанной стали — при

Таким образом, проведенные исследования показывают, что в ОЦК металлах со сложной структурой, которая характерна для исследуемых конструкционных сталей, смена механизма разрушения при изменении температуры испытания и обусловленный этой сменой температурный ход кривой подчиняются общим закономерностям, свойственным разрушению простых моно- и поликристаллов.

В работе [31], а также в дальнейших исследованиях поведения ОЦК металлов при различных температурах одним из ключевых вопросов является количественный анализ хрупкого и вязкого разрушений. В частности, необходимо ответить на вопрос, являются зависимости параметрическими или функциональными. Если зависимости являются параметрическими, то существует функциональная физически обусловленная связь между критическим напряжением и деформацией, которая может явиться ключом к формулировке критериев разрушения.

С учетом изложенных закономерностей макроскопического поведения поликристаллических металлов при одноосном растяжении и их связи с механизмами разрушения здесь и в подразделе 2.2 рассмотрены соответственно хрупкое и вязкое разрушения поликристаллов.