Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 4. РазрушениеИз сказанного в предыдущих разделах этой главы следует, что от металла, как конструкционного материала, требуется не только высокое сопротивление деформации (упругой, характеризуемой модулями Е и Обычно сопротивление деформации объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению — надежность. Укажем, что если разрушение происходит не за один, а за многие акты нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение, то это характеризует долговечность материала. Очевидно, высококачественный конструкционный материал должен быть одновременно прочным, надежным и долговечным. Как же происходит разрушение? Если материал пластичен, то превышение определенного уровня напряжения (так называемые силы Пайерса—Набарро) приводит в движение дислокации, которые скапливаются у каких-то непреодолимых для них препятствий (включения, границы зерен и др.) (см. рис. 46). При большом скоплении дислокаций эти зоны вообще становятся неспособными к пластическому деформированию и дальнейший рост напряжений ведет в этом месте к образованию микротрещин. Можно констатировать, что дефекты строения и несплошности являются концентраторами напряжений, т. е. по краям дефекта напряжения могут значительно отличаться от среднего.
Рис. 51. Концентраторы напряжений в устье дефекта (штриховые линии Концентрация напряжения
где Не только внутренние дефекты, но и поверхностные, в том числе надрезы разной длины Величина Отсюда для такой предельно острой трещины величина К составляет
Это значит, что если такая предельно острая трещина доросла до 1 мм, то в ее вершинах напряжение в 600 раз больше среднего. Если принять теоретическую прочность на отрыв атеор Из описанного вытекает, что разрушение происходит путем образования трещины и ее роста до критической величины (критическая трещина характеризуется Описанный механизм характеризует так называемое хрупкое разрушение. Хрупкому разрушению предшествует пластическая деформация до достижения трещины критического размера и затем хрупкое бездислокационное разрушение. Начавшееся хрупкое разрушение является самопроизвольным процессом; накопленная в системе энергия поддерживает процесс лавинообразного хрупкого разрушения, затрата энергии на образование новых поверхностей меньше, чем освобождающаяся при этом упругая энергия. А. Гриффитсом было установлено, что существует некоторая критическая длина трещины, назовем ее первой критической и обозначим через
Рис. 52. Хрупкая (а) и вязкая (б) трещины Важным для описанного выше механизма хрупкого разрушения металлов, является достижение в устье трещины напряжения, равного теоретической прочности. Это условие будет выполнено, если по мере развития трещины последняя будет острой. Если трещина будет раскрываться и радиус в ее вершине увеличиваться, т. е. не только Каковы основные показатели, которые позволяют отнести разрушение к хрупкому или вязкому типу. Для хрупкого разрушения типична острая (рис. 52, а), часто ветвящаяся трещина, большая скорость ее распространения (примерно Для вязкого разрушения характерна тупая, раскрывающаяся трещина (рис. 52, б), малая скорость ее распространения и значительная пластическая деформация металла при ее продвижении. Вид разрушения — вязкий или хрупкий определяют в результате изучения изломов (фрактография). На рис. 22 были показаны два вида излома — вязкий «волокнистый» и хрупкий «кристаллический». Первый вид излома свидетельствует, что для разрушения требовалась определенная работа и металл имеет хорошие свойства; второй — что само разрушение произошло почти мгновенно без затраты большой работы и металл ненадежный. При электроннсмикроскопическом исследовании вязкое разрушение характеризуется ямочным строением излома (рис. 23). Ямки в изломе — результат пластической деформации, вызванной движением тупой трещины. Хрупкое разрушение характеризуется ручьистым изломом. Плоские фасетки указывают на отрыв одной части кристалла от другой. Раньше были рассмотрены два крайних случая. В действительности в металлах не бывает ни чисто вязкого, ни чисто хрупкого разрушения. В первом можно найти следы хрупкости (вязкое разрушение происходит путем образования пор, перемычки же между ними могут разрушаться путем отрыва, т. е. хрупко, рис. 53, б) а во втором — следы пластической деформации (перескок с одной на другую плоскость, рис. 53, а). Поэтому когда говорят о вязком или хрупком разрушении металла, это значит, что явно превалирует один из описанных механизмов. Весьма часты случаи смешанных разрушений; методом фрактографии можно определить долю того и другого вида. Например, если волокна в изломе составляют 30 % (обозначается через 30 % В), это значит 30 % сечения разрушилось вязко, а 70 % - хрупко. Вид разрушения зависит от многих факторов — состава металла, его структурного состояния, условий нагружения и особенно от температуры. Для многих металлов, в первую очередь имеющих объемноцентрироваиную кубическую или гексагональную решетку, при определенных температурах изменяется механизм разрушения; вязкое разрушение при высокой температуре сменяется хрупким. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости. Как было отмечено, вязкое разрушение характеризуется волокнистым (ямочным) изломом и определенной величиной работы распространения трещины, а хрупкое — кристаллическим (ручьистым) изломом при практически нулевом значении работы распространения.
Рис. 53. Схемы хрупкого Следовательно, порог хладноломкости характеризуется температурным интервалом, в котором Если порог хладноломкости характеризовать одной цифрой, то указывают середину порога Положение порога хладноломкости зависит от многих факторов: 1) структуры и размера зерна. В частности, измельчение зерна понижает порог хладноломкости; 2) состава металла. Вредное влияние имеют многие загрязняющие металл примеси; 3) скорости деформации. Увеличение скорости деформации повышает порог хладноломкости; 4) размеров образца (детали). Чем больше сечение, тем выше порог хладноломкости. Здесь следует отметить, что надрез (концентратор) не влияет на порог хладно ломкости. Это обстоятельство объясняется тем, что на дне надреза возникает вначале трещина и вне зависимости от исходного концентратора напряженное состояние в устье трещины становится одинаковым (хотя оно было существенно разным до воз никновения трещины). Как говорилось выше, надежным конструкционным материалом является такой, в котором работа распространения трещины не равна нулю. Поэтому эксплуатировать в сколь-нибудь ответственных случаях металл при температуре ниже Запас вязкости не может быть равным нулю, так как возможно появление в процессе эксплуатации, ухудшающих вязкость (повышающие порог хладноломкости) обстоятельств, а это приведет к охрупчиванию материала. В соответствии с этим, положение порога хладноломкости характеризует сопротивление хрупкому разрушению. Чем ниже положение порога, тем более надежен материал, так как охрупчи вающие факторы могут еще и не перевести его в состояние, склонное к хрупкому разрушению. Выше порога хладноломкости материал тоже может быть ненадежным, если Йэглб абсолютное значение величины, характеризующей сопротивление вязкому разрушению. В основном величина Вот почему создание материалов высокой прочности (высокие значения Порог хладноломкости, работа распространения (и зарождения) трещины определяется посредством ударных испытаний (подробнее см. с. 72—74), одьако получаемые при этом цифры
Рис. 54. Сериальные кривые
Рис. 55. Изменение энергии при росте трещины Указанные характеристики надежности сравнительно просто определимы. Зная их, можно сказать, какой материал лучше, какой надежнее при сравнении двух или более материалов, но нельзя по ним рассчитать деталь, установить расчетом ее размеры. Однако эта задача, т. е. создание характеристик (параметров) несплошного материала, используя которые можно производить расчеты на прочность, была в последнее время решена. Изучение процессов разрушения с широким математическим обобщением привело к созданию определенного научного направления — механики разрушения. Истоки этого направления начинаются с работ А. Гриффитса (20-е годы), который показал, что разрушение высокопрочных материалов обусловлено имеющимися в теле трещинами или трещиноподобными дефектами, развитие которых и определяет весь процесс разрушения. Как указывалось выше, концентрация напряжений в устье дефекта прямо пропорциональна корню квадратному из отношения его длины к радиусу закругления. Если напряжение в устье дефекта достигнет теоретической прочности, то произойдет хрупкое разрушение и трещина увеличится по длине. Такое местное разрушение в устье трещины может перейти в самопроизвольное, если уменьшение упругой энергии, обусловленное приростом трещины, будет превышать работу, необходимую для образования новых поверхностей, т. е. поверхностная энергия должна быть меньше высвобождающейся упругой энергии. Это возможно лишь по достижении длины трещины критического размера (рис. 55). Усилие, необходимое для того, чтобы продвинуть трещину на 1 см, и обозначаемое через Расчеты приводят к следующему соотношению:
где Величина Таким образом, критерий
Рис. 56. Образец для определения вязкого разрушения
Рис. 57. Кривые разрушающего напряжения в зависимости от длины трещины Математической интерпретацией критерия
Размерность параметра Коэффициент интенсивности напряжения К при разрушении путем отрыва обозначают как Во-первых, испытанию могут подвергаться материалы, для которых предел текучести гладкого образца больше предела прочности образца с трещиной (см. рис. 58). Это свидетельствует о том, что данное испытание применимо лишь для материалов, разрушающихся хрупко или полухрупко. Во-вторых, должна быть обеспечена плоская деформация, т. е. поверхность разрушения должна быть перпендикулярна действующей силе (без боковых скосов). Только при этих условиях коэффициент интенсивности получает стабильное для Данного материала значение, достигаемое при определенной величине сечения образца. Практически было показано, что толщина образца (рис. 56) должна удовлетворять следующему соотношению:
Это тоже накладывает существенные ограничения на применение метода. Действительно, для малопрочных высокопластичных материалов Практическое значение параметра Так, при длине трещины 6 мм и
|
1 |
Оглавление
|