Лекции по механике разрушения

Подождите немного. Документ загружается.

разрушения.

Коррозионная усталость представляет собой сложный вид разрушения, при

котором совместно сказываются неблагоприятные эффекты коррозии и усталости,

приводящие к разрушению. В процессе коррозии на поверхности металла часто

образуются ямки, служащие концентраторами напряжений. В результате концентра-

ции напряжений процесс усталостного разрушения ускоряется. Кроме того,

трещины в хрупком слое продуктов коррозии служат зародышами усталостных

трещин, распространяющихся в основной металл. С другой стороны, в результате

действия циклических напряжений или деформаций происходит растрескивание и

отслаивание продуктов коррозии, т. е. открывается доступ коррозионной среде к

свежему металлу. Таким образом, оба процесса ускоряют друг друга, и опасность

разрушения может быть очень большой.

Разрушение вследствие ползучести с усталостью является видом разрушения,

происходящего в условиях, вызывающих одновременно и усталость, и ползучесть.

Взаимодействие процессов ползучести и усталости изучено пока недостаточно, но,

по-видимому, оно синергично.

Еще одна распространенная классификация – классификация Я.Б.Фридмана.

Первый классификационный признак в этой таблице – характер силового

воздействия – является наиболее формальным, но в то же время он достаточно четко

делит процессы разрушения на несколько видов, которые следует рассматривать

раздельно. В пределах каждого из этих видов разрушения, конечно, необходимо

подразделение по другим используемым в классификации признакам. Так,

кратковременное однократное статическое разрушение может быть хрупким и

пластическим (вязким), соответственно может изменяться ориентировка

макроскопической поверхности разрушения и размер зоны пластической

деформации. Трещина может проходить преимущественно по телу или, наоборот,

по границам зерен; могут быть зафиксированы различные стадии процесса

(начальное, развитое, полное разрушение), возможно одновременное воздействие

среды и т.д.

Возможны и другие классификации видов разрушения.

Классификационный признак Разрушение

Характер силового воздействия:

 нагрузка в основном монотонно из-

меняется, периода постоянной на-

грузки нет или, он мал относительно

периода разрушения

 период неменяющейся нагрузки со-

измерим с периодом разрушения

 нагрузка периодически и многократ-

но изменяется в процессе разрушения

Кратковременное однократное

статическое

Длительное однократное статическое и

замедленное

Усталостное

Ориентировка макроскопической

поверхности разрушения при разных

способах. нагружения (растяжение,

изгиб, сжатие, кручение, вдавливание и

т. п.):

Отрыв

 макроскопическая поверхность раз-

рушения перпендикулярна направ-

лению +

max

или +

max

при крайне

малом пластически деформированном

объеме в зоне разрушения

 поверхность наклонена под углом

примерно 45° к направлению +

max

Срез

Локальность разрушения, оцениваемая

по соотношению размеров разрушаемой

зоны и структурных элементов

Субмикроскопическое третьего рода;

микроскопическое второго рода;

макроскопическое первого рода

Пластическая деформация,

предшествующая разрушению

Хрупкое; макрохрупкое, но

микропластическое; пластическое

Структурное расположение

поверхности разрушения

Внутрикристаллитное;

межкристаллитное; смешанное

Степень развития разрушения Начальное – поверхность трещины

значительно меньше площади сечения

тела; развитое, в том числе полное

Влияние внешней среды Вызванное понижением поверхностной

энергии (наличие легкоплавких

покрытий); вызванное коррозией;

связанное с облучением

7. Механизмы, микромеханизмы, карты разрушения

Во всех случаях процессы повреждения и разрушения определяются

материалом, напряженно-деформированным состоянием и средой. Необходимо

идентифицировать микромеханизмы, способные вызвать разрушение, и определить

области температур и напряжений, в которых эти механизмы действуют.

В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения: 1)

отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием

касательных напряжений.

В таблице (рис. 21) представлены соответствующие схемы для ряда испытаний.

Рис. 21. Схемы разрушения путем отрыва и среза

при различных механических испытаниях (по Я.Б.Фридману)

Для чистого железа, ферритных и аустенитных сталей, тугоплавкой керамики, а

также льда можно выделить семь основных микромеханизмов разрушения: 1)

раскол (cleavage), тип 1; 2) раскол, тип 2; 3) раскол, тип 3; 4) вязкое разрушение; 5)

разрушение в результате внутризеренной ползучести (transgranular creep fracture);

6) разрушение в результате межзеренной ползучести (intergranular creep fracture); 7)

пластический разрыв (rupture).

При особых обстоятельствах существуют еще два микромеханизма разрушения:

динамический и диффузионный.

Важнейшей задачей является установление доминирующего механизма при

статическом или динамическом нагружении, особенно при одновременном

воздействии временных и циклических процессов, что, например, типично для

суперпозиции ползучести и усталости. Все детали и конструкции в целом содержат

некоторые геометрические дефекты, например, пустоты (поры), маркировочные

знаки и т.д. Все они вызывают концентрацию напряжений при нагружении.

В таких локальных областях зарождаются и начинают расти микроскопические

дефекты. С другой стороны, большие трещины могут зарождаться уже в процессе

обработки, например, при сварке из-за непроваров или возникновения остаточных

напряжений. В результате, когда конструкция или деталь, содержащая такие

врожденные дефекты, подвергается нагружению, материал в области вершины

трещины испытывает значительные деформации и трещины начинают

распространяться по одному из микромеханизмов, которые будут подробно

рассмотрены ниже.

Следует отметить, что чистота материала, вариации легирования, процесс

изготовления, размер зерна, текстура лишь незначительно влияют на границы

областей разрушения, показанные на прилагаемых картах механизмов.

Конструкторы должны, помимо прочего, иметь в виду, что при прогнозировании

долговечности и поведения реальных деталей на основе результатов лабораторных

испытаний особое внимание следует удалять информации о режимах, так как,

например, при высоких напряжениях и температурах активны одни механизмы, а

при низких – другие. Также необходимо учитывать возможность независимого

накопления двух видов повреждений в случае суперпозиции процессов, зависящих

от времени и циклического нагружения.

Механизмы разрушения. Разрушение (Separation) материала происходит в

результате зарождения и роста (или увеличения числа) дефектов типа дислокации,

пор и трещин. Эти дефекты могут приводить к хрупкому или вязкому разрушению,

усталости, разрушению в процессе ползучести, причем в одних случаях разрушение

носит межзеренный, а в других – внутризеренный характер. Поэтому весьма важно

уметь выделить доминирующий механизм.

На рис. 22 показан широкий спектр механизмов разрушения при низких и

высоких температурах – от чисто хрупкого до чисто пластического.

Рис. 22. Классификационная схема механизмов разрушения:

1 - раскол; 2 - хрупкое межзеренное разрушение; 3 - вязкий рост пор;

4 -внутризеренный рост пор; 5 - межзеренный рост пор; 6 - разрыв в результате

пластического сужения или среза; 7 - межзеренная ползучесть; 8 - порообразование;

9 - клиновидные трещины; 10 - рост пор но механизму степенной ползучести;

11 -разрыв в результате сужения при динамическом возврате или рекристаллизации.

В области низких температур (Т < 0,25 Т

пл

) пластическое течение больше

зависит от напряжения, чем от времени. При высоких температурах на деформацию

в основном влияют температура и время, доминируют процессы ползучести.

Хрупкое поведение. Хрупкое разрушение может происходить либо по телу зерна

(раскол), либо по границам зерен. В этих случаях разрушающее напряжение ниже

предела текучести материала.

По мере повышения температуры и снижения напряжения течения возникает

пластическая деформация, но разрушение может быть связано только с

микропластическими явлениями – образованием пор или клиновидных трещин,

которые затем распространяются по границам зерен. Эти процессы требуют для

своего развития значительного времени, и поэтому такой тип хрупкого поведения

рассматривается как межзеренное разрушение при ползучести.

Пластическое поведение. При низких температурах могут быть оперативны

несколько систем скольжения, что особенно характерно для металлов с г-ц.к.-

решеткой – Ag, Au, Pt, Al, Cu, Pb. В этом случае раскол становится невозможным и

разрушение происходит за счет разрыва в результате сужения поперечного сечения

до нуля при образовании шейки (сужение до точки, necking) или сдвига (сужение до

лезвия, shearing off). При высоких температурах могут иметь место динамический

возврат или рекристаллизация, которые приводят к накоплению деформаций и

окончательному разрушению в результате уменьшения сечения, несущего нагрузку.

Переходная зона. Между двумя описанными крайними случаями хрупкого и

вязкого разрушения возможны различные случаи ограниченного пластического

течения, которое вызывает рост внутризеренных или межзеренных пор.

Микромеханизмы. На представленных ниже картах показаны области, в

которых доминирует тот или иной микромеханизм. По осям этих карт

откладывается нормализованная (по Т

пл

температура и нормализованные (по модулю

нормальной упругости Е, соответствующему температуре) напряжения.

За верхнюю границу напряжения принимается идеальная (теоретическая)

прочность материала, примерно равная 0.1Е.

Рассматриваемые далее границы действия механизмов являются довольно

условными, так как во многих случаях одновременное действие нескольких

механизмов приводит к разрушению по смешанному типу.

Типы микромеханизмов

Раскол (тип 1). При достаточно низкой температуре пластическое течение

снижается до минимума и разрушение происходит в результате быстрого развития

врожденного (inherent) дефекта размером 2а. Разрушающее напряжение при этом

aEG



где G

– вязкость разрушения, 2а – размер дефекта или наиболее длинной трещины.

Раскол (тип 2). Если ни один из дефектов не достигает критического размера, то

в результате микропластической деформации (скольжения или двойникования)

могут образоваться мелкие трещины, и разрушающее напряжение будет равно

dEG



где d – размер зерна. Отметим, что здесь



(



– напряжение микротечения) и

деформация при разрушении



< 1 %.

Раскол (тип 3). С повышением температуры и снижением напряжения

текучести могут развиваться значительные пластическое деформации (до 1—10 %),

прежде чем произойдет внезапное катастрофическое разрушение в результате

раскола. Пластическая деформация в этом случае вызывает возрастание G

, а

следовательно и



, в результате чего трещина притупляется, что может привести к

стабильному росту трещины без катастрофического внезапного разрушения.

Весьма незначительные изменения текстуры, содержания примесей и

температуры могут способствовать развитию либо внутри-, либо межзеренного

разрушения; в дальнейшем будем называть первый случай расколом (типы 1, 2, 3), а

второй – хрупким межзеренным разрушением (BIF, Brittle intergranular fracture, 1,

2, 3).

Вязкое разрушение. Вязкое разрушение начинается с зарождения и быстрого

роста внутризеренных пор. Отсюда следует, что оно определяется размером

дефектов (поры, включения) и расстоянием между ними. Их росту способствует

концентрация напряжений; наблюдающееся при этом слияние пор в области

локального сужения ведет к разрушению.

Вязкое разрушение обычно идет по телу зерна, но если включения выделяются

преимущественно по границам зерен, становится возможным волокнистое вязкое

межзеренное разрушение.

Твердые включения в мягкой матрице вызывают искажения локальных полей

напряжений, и создающиеся концентрации напряжений могут привести к

разрушению включения или к его отделению (отрыву) от матрицы. Возникшая

таким способом пора первоначально удлиняется со скоростью примерно в 2 раза

превышающей скорость удлинения образца, но эта скорость постепенно

уменьшается по мере того, как пора принимает эллипсоидальную форму.

Окончательное разрушение происходит, когда высота эллипсоида 2h приближается

к величине расстояния между порами 2l в результате локального сужения

пластичной матрицы между порами. Исходя из этих предпосылок, можно показать,

что деформация при разрушении пластичного материала равна





















где f



– объемная доля пор,



– постоянная материала, близкая к 1, С – разность

скоростей деформации поры и матрицы.

Внутризеренное разрушение при ползучести. Если Т > 0,3 T

пл

, металл

деформируется посредством ползучести, развитие которой зависит от времени;

напряжение течения зависит при этом от деформации. Простейшее выражение для

скорости деформации имеет вид

B'

(степенная ползучесть, power low creep),

где В и п — материальные постоянные; поры зарождаются в этом случае внутри

зерен. Однако вследствие того, что пластическое течение при температурах Т > 0,3

пл

зависит от времени, оно может происходить при весьма низких напряжениях, и

процесс зарождения пор оказывается длительным. Более того, может замедляться

также и процесс слияния пор. В итоге разрушение оказывается зависящим от

времени.

Межзеренное разрушение при ползучести. В условиях долговременного

действия низкого напряжения и, соответственно, при больших долговечностях

может развиваться межзеренное разрушение. В такой ситуации проскальзывание по

границам способствует зарождению пор и клиновидных трещин, нормальных к

направлению действия растягивающего напряжения. Поведение материала в таком

режиме с хорошим приближением может быть описано уравнением

constt

ssf

 '

, где

– долговечность (время до разрушения),

'

– скорость установившейся

ползучести. В основе этого соотношения лежит предположение о том, что

разрушение происходит в результате степенной ползучести, которая контролирует

зернограничное скольжение и, следовательно, зарождение пор, которое при этом

занимает основную долю жизни металла. Если же основную долю жизни занимает

процесс роста пор, то это контролируется диффузионными процессами, которые в

свою очередь определяются степенной ползучестью окружающей матрицы.

Разрыв. Если все другие моды разрушения исключены, возможно значительное

пластическое сужение площади поперечного сечения. Зарождение и слияние пор

может оказаться подавленным динамическим возвратом и рекристаллизацией.

Деформация локализуется в шейке или в полосах сдвига и продолжается до тех пор,

пока площадь поперечного сечения не приблизится к нулю.

Динамическое разрушение. Это – мгновенное разрушение в результате быстрого

приложения нагрузки, вызывающего образование в материале упругих и

пластических волн.

Чисто диффузионное разрушение. Это – предельный случай разрушения при

межзеренной ползучести, имеющий место при низких напряжениях и высоких

температурах, когда становится возможным долговременная диффузия дислокации.

Этот случай разрушения возможен лишь в определенных случаях.

Карты разрушения

На рис. 23, 24 представлены примеры карт механизмов разрушения для разных

материалов.

Рис. 23. Карта механизмов разрушения никеля технической чистоты (г.ц.к.-

решетка): 1 - динамическое разрушение; 2 - вязкое внутризеренное разрушение;

3 - внутризеренная ползучесть; 4 - разрыв (при динамической рекристаллизации);

5 -разрушение в результате внутризеренной ползучести; б - клиновидные трещины;

7- поры

Рис. 24. Карта механизмов разрушения вольфрама технической чистоты

(о.ц.к.-решетка); d=100 мкм: 1 - динамическое разрушение; 2 - раскол типа 1;

3 - раскол типа 2 или BIF 2; 4 - раскол типа 3 или BIF3; 5 - вязкое разрушение;

6 - внутризеренное разрушение в результате ползучести; 7 - разрыв; 8 - поры;

9 - клиновидные трещины; 10 - межзеренное разрушение в результате ползучести

Области разрушения, характеризуемые разными микромеханизмами,

определяются обычно путем фрактографических исследований, но в некоторых

случаях они могут быть найдены по резкому изменению



. Карты

справедливы лишь для уровней напряжений, соответствующих скорости

деформации ~10

-1

, т.е. для долговечностей порядка 10

-6

с, так как при более

жестких условиях характерно разрушение за счет динамической деформации, при

которой через металл распространяются упругие и пластические волны. Это не

следует смешивать с быстрым разрушением при низких напряжениях материалов,

имеющих врожденные острые и крупные дефекты.

Металлы г.ц,к. Карта (рис. 23), построенная на основе испытаний на растяжение

никеля технической чистоты, является типичной для многих г.ц-к.-сплавов и

металлов.

На карте выделено четыре области механизмов разрушения. При высоких

напряжениях и низких температурах разрушение носит вязкий характер. По-

вышение температуры приводит к ползучести и уменьшению разрушающего напря-

жения. Быстрое разрушение происходит за счет внутризеренной ползучести

аналогично вязкому разрушению, при этом мода пластической деформации

изменяется от скольжения до степенной ползучести. Однако само разрушение

происходит в результате роста и объединения пор. При более низких напряжениях

и, следовательно, больших долговечностях доминируют процессы межзеренной

ползучести, причем можно выделить две подобласти, в одной из которых основной

причиной разрушения является зарождение клиновидных трещин, а в другой –

преимущественное образование пор по границам зерен. Для обеих форм

межзеренной ползучести характерна низкая пластичность и разрушение после

весьма малых деформаций. Зона перехода от внутризеренного разрушения к

межзеренному на диаграмме заштрихована; здесь можно наблюдать разрушение

смешанного типа.

При дальнейшем повышении температуры ползучести сопутствует

динамическая рекристаллизация, и разрушение происходит с образованием шейки

или при сужении сдвигом до лезвия (chisel edge).

Легирование влияет на механизмы, а значит и на области их действия. Стабиль-

ные дисперсные выделения подавляют рекристаллизацию и тем самым сдерживают

разрушение, в то время как некоторые весьма чистые металлы могут разрушаться по

механизму разрыва при комнатной температуре. При одновременном наличии

дисперсных выделений и твердого раствора прочность возрастает и имеется тен-

денция к расширению зоны разрушения по механизму межзеренной ползучести на

области, в других ситуациях свойственные иным механизмам разрушения.

Металлы о. ц. к. На рис. 24 представлены детализированные характеристики

разрушения вольфрама технической чистоты, который является типичным

представителем о.ц.к.-металлов.

При наличии в образце внутренних дефектов происходит низкотемпературный

раскол типа 1 без пластической деформации. Однако обычно трещины зарождаются

в результате двойниковаиия или скольжения; в дальнейшем они распространяются

по механизму либо внутризереиного раскола типа 2, либо BIF2. Уже небольшое

повышение температуры делает возможным некоторое пластическое течение, так

как предел текучести снижается при этом быстро, однако разрушение происходит

расколом по типу 3, несмотря на повышение вязкости разрушения, о котором

свидетельствует возрастание пластичности при разрушении е у примерно да 10 %.

При Т > 0,3 Т

пл

наблюдается вязкое разрушение при повышенных напряжениях. И

здесь снова небольшое снижение напряжения делает доминирующим процесс

ползучести, хотя характер разрушения остается вязким.

При низких напряжениях характерна межзеренная ползучесть. В области 0,5 Т

пл



/Е = 10

-4

типичны клиновидные трещины, а при более низких напряжениях и

одновременно высоких температурах разрушение связано с развитием пор; в об-

ласти температур, близких к точке плавления, и относительно высоких напряжениях

происходит разрушение разрывом.

Таким образом, как видно, процесс разрушения является чрезвычайно сложным,

многоступенчатым, зависящим от условий, и это все проявляется как на

субмикроскопическом и микроскопическом уровнях (физика, материаловедение,

металлургия), так и на макроуровне (механика разрушения, конструкционная

прочность). Механика разрушения преимущественно рассматривает

феноменологические модели на макроуровне и поэтому не оперирует столь

большим разнообразием физических механизмов и видов разрушения, а в качестве

основных рассматривает хрупкое, квазихрупкое, упругопластическое и усталостное

разрушения.

8. Классические схемы хрупкого, квазихрупкого, вязкого

разрушения

Граница между различными видами разрушения до сих пор размыта и не

является четко очерченной. До сих пор нет общепринятого определения хрупкого

разрушения. Вот некоторые из них.

1. Разрушение является хрупким, если для его протекания и завершения

достаточно упругой энергии разрушаемой конструкции.

2. Хрупким является разрушение, при котором нестабильный рост трещины

происходит при напряжениях, меньших предела текучести.

3. Хрупким является разрушение без заметных пластических деформаций.

4. Разрушение хрупкое, если достаточно велика доля хрупкого составляющего в

изломе

5. Качественное различие между разрушениями связано со скоростью

распространения трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика –

достигает 0.4…0.5 скорости распространения звука в материале образца. В случае

же вязкого разрушения трещина распространяется с относительно малой скоростью,

соизмеримой со скоростью деформации образца.

В зависимости от условий состояние материала и характер разрушения

меняется. Известны несколько классических схем, связывающих характер

разрушения с внешними условиями, показывающих условия перехода материалов из

пластического в хрупкое состояние.

Схема П.Людвика (1909 г.). Схема (рис. 25) построена в координатах

напряжение – деформация, но в качестве фактора, влияющего на сопротивление

пластической деформации и на пластичность, принята скорость деформации.

Рис. 25. Схема П.Людвика

Схема А.Ф.Иоффе (1924 г.). Состояния материала были представлены Иоффе в

виде удобной схемы (рис. 26), носящей его имя.

Рис. 26. Схема А.Ф.Иоффе,



– предел текучести; 

от

– сопротивление отрыву

Здесь кривая 

есть изменение начального предела текучести в зависимости от

абсолютной температуры. Прямой 

от

изображено сопротивление отрыву стали при

низких температурах при отсутствии общей пластической деформации.

Рассмотрение причин возникновения трещин показывает, что для достижения

приложенным напряжением величины сопротивления отрыву 

от

даже при

отсутствии общей пластической деформации необходима небольшая величина

местной пластической деформации. Эти две кривые (

и 

от

) пересекаются при

температуре хрупкого перехода Т

(1)

. Ниже Т

(1)

напряжение в образце станет

равным сопротивлению отрыву до достижения напряжения общей текучести и

поэтому произойдет хрупкое разрушение. Выше температуры Т

(1)

сначала будет

достигнут предел текучести и поэтому произойдет большая или меньшая

пластическая деформация. Увеличение скорости деформации, большая степень

трехосности напряженного состояния приводят к повышению предела текучести, в

результате чего кривая 

смещается в положение кривой 

. Пересечение кривых



от

и 

 происходит при более высокой температуре Т

(2)

, т.е. температура

изменения вида разрушения увеличивается от Т

(1)

до Т

(2)

. С другой стороны,

предварительная пластическая деформация при умеренных температурах

увеличивает работу разрушения и, следовательно, сопротивление отрыву от 

от

до



от

, уменьшая тем самым температуру хрупкого перехода при обычных изменениях

