4. Разрушение

Из сказанного в предыдущих разделах этой главы следует, что от металла, как конструкционного материала, требуется не только высокое сопротивление деформации (упругой, характеризуемой модулями Е и пластической — пределами но и высокое сопротивление разрушению.

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 а — трещина; б — острый надрез; в — «мягкий» надрез

Концентрация напряжения тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой:

где — длина дефекта; — радиус закругления в вершине дефекта.

Не только внутренние дефекты, но и поверхностные, в том числе надрезы разной длины и остроты (г) способствуют концентрации напряжений (рис. 51).

Величина может быть очень малой, т. е. трещина очень острая, но она не может быть меньше 0,1 нм, т. е. меньше, чем диаметр атома, и надо полагать, что минимальный радиус трещин составляет примерно 10 нм мм).

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 то при среднем напряжении всего лишь в устье трещины возникает напряжение, равное теоретической прочности, и разрушение произойдет путем отрыва одних слоев атомов от других. Начавшийся лавинный процесс разрушения будет протекать до тех пор, пока трещина не разделит металл на два куска или более, так как по мере роста длины трещины, что следует из приведенного выше уравнения, требуется все меньшее и меньшее напряжение.

Из описанного вытекает, что разрушение происходит путем образования трещины и ее роста до критической величины (критическая трещина характеризуется что в ее устье напряжение достигает значения теоретической прочности).

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 рост которой происходит самопроизвольно и сопровождается уменьшением энергии в системе. Как было сказано выше, для того чтобы трещина двигалась, кроме энергетических условий (уменьшение энергии в системе), требуется и достижение определенного напряжения в устье трещины, что достигается при втором критическом ее размере — Ввиду того, что в металлах трещина не предельно остра, определяет хрупкую прочность вторая критическая длина дефекта, поскольку для стекла или разница между не так велика. Это количественная, но не принципиальная разница хрупкого разрушения стекла и металла.

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 но и будет расти, то для ее движения будет требоваться все большее и большее напряжение (если дробь будет уменьшаться). В этом случае трещина так и не достигнет критического размера, хотя может распространиться на все сечение. Такое разрушение является вязким.

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 от скорости звука) и отсутствие пластической деформации при ее распространении. Трещина движется за счет накопленной упругой энергии.

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 и вязкого (б) разрушений (сечеиие перпендикулярно поверхности излома)

Следовательно, порог хладноломкости характеризуется температурным интервалом, в котором или смещается от (или некоторого значения для до — работа распространения трещины) (рис. 54). Кривая, подобная изображенной на рис. 54 называется сериальной, потому что для ее построения требуется проведение серии испытаний при разных температурах. Порог хладноломкости, очевидно, характеризуется двумя температурами: (выше этой температуры — излом полностью вязкий) и (ниже этой температуры — излом полностью хрупкий

Если порог хладноломкости характеризовать одной цифрой, то указывают середину порога (температура, при которой 50 % волокна в изломе или величина уменьшились вполовину). Эта температура называется температурой полухрупкости.

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 нельзя. Лучше всего применить материал, у которого лежит ниже температуры эксплуатации. Разницу между температурой эксплуатации и (поскольку допустимо во многих случаях некоторое количество хрупкой составляющей в изломе) называют запасом вязкости.

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 Поэтому надо стремиться к повышению этой

величины, характеризующей сопротивление вязкому разрушению. В основном величина зависит от уровня прочности — чем выше прочность тем ниже хотя имеют значение и другие еще недостаточно точно установленные факторы.

Вот почему создание материалов высокой прочности (высокие значения и одновременно высокой надежности (низкое положение и большая величина является чрезвычайно сложной задачей.

Порог хладноломкости, работа распространения (и зарождения) трещины определяется посредством ударных испытаний (подробнее см. с. 72—74), одьако получаемые при этом цифры и др. не могут быть использованы в прочностных расчетах (в этом их принципиальное отличие от пределов текучести и прочности).

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 (не путать с модулем Гука, который тоже обозначается буквой G), по смыслу и размерности аналогично работе распространения трещины.

Расчеты приводят к следующему соотношению:

где — среднее напряжение.

Величина достигает критического значения когда критическое значение получит произведение (длина трещины, умноженная на квадрат напряжения), поскольку отношение для данного материала — величина постоянная.

Таким образом, критерий связывает воедино приложенное напряжение (а) и длину дефекта от которых зависит надежность материала, его сопротивление разрушению.

Рис. 56. Образец для определения вязкого разрушения

Рис. 57. Кривые разрушающего напряжения в зависимости от длины трещины

Математической интерпретацией критерия является параметр К (называемый коэффициентом интенсивности напряжения), более удобный, чем для экспериментального определения и использования в расчетах на прочность:

Размерность параметра несколько необычная для оценочных характеристик материала, показывает, что эта характеристика — лишь удобная трансформация параметра имеющего четкий физический смысл.

Коэффициент интенсивности напряжения К при разрушении путем отрыва обозначают как и определяют на массивных образцах (рис. 56) при ряде ограничительных условий.

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 исходя из формулы толщина образца В должна быть равна 250 мм, что практически неосуществимо. Величину определяют обычно на высокопрочных сталях разрушающихся хрупко или полухрупко.

Практическое значение параметра состоит в том, что, зная его, можно определить величину разрушающих напряжений (рис. 57) в зависимости от длины дефекта и, наоборот, зная рабочее напряжение в детали, можно предсказать размер трещин, при достижении которого произойдет разрушение.

Так, при длине трещины 6 мм и безопасными считают напряжения меньше а при они возрастают до