Матеріалознавство основи теорії руйнування

Просте руйнування - це поділ тіла на дві або більше частин, що відбувається при додатку статичного (тобто постійного або повільно змінюється в часі) напруги при температурі, порівняно низькою порівняно з температурою плавлення матеріалу. При цьому прикладені напруги можуть бути розтягують, стискають або зсувними.

Руйнування конструкційних матеріалів може відбуватися по одному з двох шляхів: воно може бути пластичним або крихким. Ця класифікація заснована на тому, чи можуть в матеріалі створюватися пластичні деформації. Для пластичних матеріалів характерні великі пластичні деформації, тобто матеріали поглинають більшу енергію деформування до настання руйнування. При крихкому руйнуванні, навпаки, пластичні деформації або відсутні, або вони дуже малі і поглинання енергії до руйнування не відбувається.

«Пластичність» і «крихкість» - це лише умовні терміни, а те, яким чином руйнування відбувається в дійсності, залежить від конкретних обставин. Пластичність можна кількісно охарактеризувати відносним подовженням або відносним зменшенням поперечного перерізу. Далі, пластичність залежить від температури, швидкості деформації, а також від виду напруженого стану.

Будь-який процес руйнування відбувається в два етапи: спочатку утворюється тріщина, і потім вона поширюється. Характер руйнування в дуже сильному ступені залежить від механізму поширення тріщини. Для пластичних матеріалів характерно те, що попереду зростаючої тріщини і навколо неї розвивається область пластичних деформацій. При цьому процес поширення тріщини відбувається відносно повільно. Такі тріщини часто характеризують терміном «стабільні». В цьому випадку матеріал чинить опір подальшому розвитку тріщини, якщо тільки напруга не збільшується. Крім того, візуально спостерігаються великомасштабні деформації на поверхні руйнування у вигляді смуг крутіння і роздираючи. У разі ж крихкого руйнування, навпаки, тріщина поширюється дуже швидко без яких # 8208; небудь помітних пластичних деформацій. Тріщину в цьому випадку характеризують як нестійку, а розвиток тріщини після того, як вона виникла, відбувається спонтанно без збільшення прикладеної напруги.

При додатку растягивающего напруги більшість металевих сплавів ведуть себе як пластичні матеріали, а кераміки руйнуються крихко; для полімерів можливе руйнування по обом шляхах.

Характер поверхні, по якій сталося пластичні руйнування, має свої особливості як на макро # 8208 ;, так і на мікрорівні. Все дуже пластичні матеріали, наприклад, чисте золото або свинець при кімнатній температурі, а також інші метали, полімери та неорганічні скла при підвищених температурах при настанні розриву утворюють звужується шийку, так що зменшення площі поперечного перерізу становить практично 100%.

При руйнуванні пластичних металів утворюється лише помірно звужується шийка. При цьому процес руйнування зазвичай здійснюється в кілька стадій. Спочатку після того, як з'являється шийка, виникають невеликі каверни, або мікропорожнечі всередині поперечного перерізу. Потім, у міру розвитку деформацій, ці мікропорожнечі збільшуються і зливаються один з одним так, що утворюється еліптична тріщина з довгою віссю, орієнтованою перпендикулярно напрямку дії напруги. Тріщина продовжує рости в напрямку, паралельному своєї головної осі шляхом коалесценции мікропорожнеч. І на кінцевій стадії настає руйнування внаслідок швидкого поширення тріщини навколо зовнішнього периметра шийки шляхом зсувних деформацій, що відбуваються під кутом 45 ° у напрямку до осі розтягнення. Це той кут, під яким дотичні напруження максимальні.

Крихке руйнування відбувається за відсутності помітних деформацій шляхом швидкого поширення тріщини. Напрямок розвитку тріщини майже строго перпендикулярно напрямку прикладання навантаження, а поверхня розриву в цьому випадку виходить порівняно гладкою.

Характер поверхні розриву, що утворюється при крихкому руйнуванні, вельми специфічний саме для цього виду руйнування. При цьому будь # 8208; або помітні сліди пластичних деформацій відсутні. Так, наприклад, при руйнуванні зразків з деяких сталей поблизу центру перетину, по якому стався розрив, помітна серія V # 8208; образних міток, які спрямовані до місця зародження тріщини. Лише при крихкому руйнуванні на поверхні розриву утворюються гребені, які розходяться від місця зародження тріщини подібно до віяла. Досить часто обидва цих типу відмітин буває складно виявити неозброєним оком. При руйнуванні дуже жорстких дрібнозернистих металів взагалі відсутня скільки # 8208; небудь помітна картина зламу. Поверхні руйнування аморфних матеріалів, таких як керамічні скла, виглядають блискучими і гладкими.

Для більшості тендітних кристалічних матеріалів поширення тріщини відбувається шляхом послідовного і повторюваного розриву атомних зв'язків уздовж певних кристалографічних площин. Такий процес називається розщепленням ( «cleavage»). Про руйнування такого типу кажуть як про трансзерністом (або транскристаллитного), оскільки в цьому випадку тріщина проходить через зерна. На макроскопічному рівні поверхню руйнування може мати зернисту або фасеточними текстуру.

При руйнуванні деяких сплавів тріщина походить по межах зерен. Такий тип руйнування називають межзерністим. Руйнування описаного типу може відбуватися як наслідок процесів, що призводять до ослаблення або усунення крихкості в областях між зернами.

ПРИНЦИПИ МЕХАНІКИ РУЙНУВАННЯ

Під механікою руйнування розуміється встановлення кількісних зв'язків між властивостями матеріалу, рівнем діючих напружень, присутністю тріщини в зразку і механізмом поширення тріщини.

концентрація напружень
Вимірювані значення межі міцності, після досягнення якого матеріал руйнується, виявляються суттєво меншими, ніж результати теоретичних розрахунків, заснованих на оцінці енергії міжатомних зв'язків. Ця розбіжність пояснюють присутністю дуже маленьких, мікроскопічних лагун або тріщин, які завжди існують при звичайних умовах на поверхні або всередині обсягу матеріалу. Існування цих пустот призводить до падіння міцності, тому що прикладена напруга посилюється або концентрується на вершинах таких тріщин, причому ступінь концентрації напружень залежить від орієнтації тріщини і її геометричної форми.

Ефект концентрації напружень більш істотний для тендітних, ніж для пластичних матеріалів. Якщо максимальні напруги перевищать межа плинності в пластичних матеріалах, то виникнуть пластичні деформації. Це призведе до більш рівномірного розподілу напружень в околицях концентратора напружень, що буде сприяти зниженню максимальної напруги в порівнянні з його очікуваним теоретичним значенням. Така поведінка і перерозподіл напружень навколо тріщин і розривів суцільності не відбувається в крихкому матеріалі, так що максимальна напруга буде відповідати своїм теоретичному значенню.

Величину максимального напруження # 61555; с, необхідну для поширення тріщини в тендітному матеріалі, можна розрахувати на основі принципів механіки руйнування. Ця напруга виражається формулою:
# 963; c = (2E # 947; s / πa) 1/2 (3)
де Е - модуль пружності, # 947; s - питома поверхнева енергія, а - половина довжини внутрішньої тріщини.

У всіх крихких матеріалах є безліч тріщин і пустот, які розрізняються розмірами, геометричною формою і орієнтацією. Для однієї з цих тріщин величина растягивающего напруги в її вершині перевищує величину критичного напруження, що призводить до розвитку тріщини і в підсумку до руйнування.
Можна отримати дуже маленькі металеві або керамічні вуса ( «whiskers»), в яких імовірно немає дефектів. Тоді їх міцність наближається до теоретичної межі.

в'язкість руйнування
Використання принципів механіки руйнування дозволяє отримати такий вираз, яке визначає залежність якогось характерного параметра Кc від критичної напруги, при якому може відбуватися розростання тріщини # 61555; с, і довжини тріщини а:
Кс = Y # 963; c√πa (4)
Параметр Кс, який визначається цим виразом, називається в'язкістю руйнування. Він являє собою міру опору матеріалу крихкому руйнуванню після утворення тріщини.

Не має особливого значення те, що цей параметр виражається в досить незвичайних одиницях - МПа√м або psi√дюйм (або ж ksi√дюйм). Коефіцієнт Y - це безрозмірний фактор, який залежить як від розмірів тріщини і зразка, так і від їх геометричної форми, а також від способу прикладання навантаження.
Якщо говорити про величину коефіцієнта Y, то для плоского зразка, в якому є тріщина, багато коротша порівняно з шириною зразка, то величина цього коефіцієнта виявляється близькою до одиниці. Так, наприклад, якщо в пластині необмеженої ширини є вузька тріщина, то Y = 1, а якщо в полубесконечной пластині є з краю зразка тріщина довжиною а, то Y = 1,1.

Значення Кс для відносно тонких зразків залежать від товщини зразка. Однак якщо товщина зразка багато більше, ніж розмір тріщини, значення Кс стають незалежними від товщини. У цьому випадку говорять про площинних деформаціях.
Під площинними деформаціями мається на увазі ситуація, коли навантаження діє на зразок так, що відсутні компоненти деформації в напрямку, перпендикулярному передньою і задньою гранях зразка.
Величина Кс для таких товстих зразків називається в'язкістю руйнування при площинних деформаціях і позначається як KIc. Ця величина розраховується за формулою:
KIc = Ya√πa (5)
Саме значення KIc наводяться як характеристика матеріалу для багатьох випадків.
У матеріалах, які руйнуються крихко, пластичні деформації попереду зростаючої тріщини розвиватися не можуть. Тому для них характерні низькі значення KIc і руйнування відбувається в катастрофічному режимі. Для пластичних матеріалів значення KIc досить високі.
Оцінка значень KIc особливо корисна для проміжних ситуацій, що дозволяє уникнути небезпеки крихкого руйнування.

Величина в'язкості руйнування при площинних деформаціях відноситься до числа фундаментальних властивостей матеріалу. Вона залежить від багатьох факторів, наприклад, температури, швидкості деформації, мікроструктури матеріалу. Величина KIc зменшується при збільшенні швидкості деформації і зниженні температури. Далі, збільшення межі плинності, що досягається шляхом освіти твердого розчину або при деформаційному зміцненні, в загальному випадку, призводить до відповідного зниження KIc. Як правило, KIc зростає з подрібненням зерен, якщо склад композиції та інші мікроструктурні параметри при цьому зберігаються незмінними.

Проектування, засноване на принципах механіки руйнування
Відповідно до рівняннями (4) і (5) для того, щоб оцінити можливість руйнування тих чи інших елементів конструкції, необхідно врахувати вплив трьох чинників, а саме: в'язкості руйнування (Кс), або в'язкості руйнування при площинних деформаціях (KIc), прикладена напруга # 963; і розмір тріщини а. При цьому, звичайно, передбачається, що коефіцієнт Y відомий.
При проектуванні того чи іншого виробу слід, перш за все, оцінити, який із цих факторів обмежений умовами застосування, а які слід визначити при проектуванні.

Так, наприклад, вибір матеріалу (тобто значення Кс і KIc) часто визначаються такими вимогами як щільність (де за умовами застосування можуть бути встановлені обмеження на вагу вироби) і корозійні характеристики матеріалу в середовищі, в якій буде застосовуватися виріб. Допустимий розмір тріщини може обмежуватися, зокрема, можливостями вимірювальної техніки. При цьому важливо зрозуміти, що як тільки обмеження накладаються на два зі згаданих параметра, третій стає строго фіксованим (по рівняннях (4) і (5)).

Наприклад, візьмемо, що значення KIc і а визначені умовами застосування. Тоді розрахункова допустима (або критичне) напруга # 963; з знаходиться за формулою:
# 963; c = KIc / Y√πa (6)
Якщо ж заданий рівень напруги і відома в'язкість руйнування при площинних деформаціях, то максимально допустимий розмір тріщини знаходиться як
ac = 1 / π (KIc / # 963; Y) 2 (7)

Для виявлення та вимірювання як внутрішніх, так і поверхневих тріщин був запропонований ряд методів неруйнівного контролю (МНК). Ці методи використовують для дослідження деталей конструкцій з метою визначення виникнення дефектів або тріщин, які могли б привести до передчасного руйнування вироби. Крім того, МНК використовують як контроль якості у виробничому процесі.

Ці методи вимірювань не повинні зашкодити матеріал (або конструкцію), яка піддається випробуванням, деякі з них можуть використовуватися тільки в умовах випробувальної лабораторії, інші можуть також бути пристосовані для роботи в польових умовах.

Межа міцності полімерних матеріалів невеликий в порівнянні з міцністю металів і керамік. Як правило, термореактивні полімери (в яких є густа сітка поперечних зв'язків) руйнуються крихко. Простіше кажучи, процес руйнування відбувається таким чином, що тріщина утворюється в області, в якій має місце концентрація напруг (тобто подряпини, надрізи і порожнини). Як і в разі металів, напруги зростають в вершині тріщини, що призводить до її поширенню і, в кінцевому рахунку, до руйнування. При цьому в момент руйнування зразка ковалентні зв'язки в сітці або в структурі поперечних зшивок розриваються.

Руйнування термопластичних полімерів можливо як по пластичному, так і по крихкому механізму, причому для багатьох полімерів може спостерігатися перехід від пластичного до крихкого руйнування. Крихкому руйнуванню сприяють такі чинники як зниження температури і збільшення швидкості деформації, а також наявність гострих надрізів, збільшення товщини зразка і будь-яка модифікація хімічної структури полімеру, яка призводить до збільшення температури склування (Tg). Стеклообразниє полімери руйнуються крихко при температурі нижче температури склування. Однак при підвищенні температури в області переходу через температуру склування вони стають пластичними, і до моменту руйнування деформуються з розвитком пластичних деформацій.

Ще одним ефектом, часто спостерігаються до моменту руйнування термопластичних полімерів, є крейзінг. Він виникає в областях з локалізованим розвитком пластичних деформацій, які призводять до утворення безлічі з'єднуються між собою мікропор. Між мікропорами утворюються фібрилярні містки, а макромолекулярні ланцюги переорієнтуються.
Якщо діючі напруги досить великі, то містки розтягуються і руйнуються, що призводить до зростання і злиття мікропор. Як наслідок цього, починає утворюватися тріщина.

Крейз відрізняється від тріщини тим, що він може нести навантаження, що діє в поперечному напрямку. Крім того, процес зростання крейзі до утворення тріщини пов'язаний з поглинанням енергії, що істотно збільшує в'язкість руйнування матеріалу. У склоподібних матеріалах розвиток тріщини лише в малому ступені супроводжується утворенням мікротріщин, що і є причиною низьких значень в'язкості руйнування. Крейзі утворюються в областях, в яких діють високі напруги з # 8208; за наявності подряпин або мікропорожнеч, а також гетерогенності молекулярних структур. Крім того, вони ростуть перпендикулярно напрямку дії напруг, що розтягують. Типовий масштаб розмірів крейзі - 5 мкм або навіть менше.

Загальні принципи механіки руйнування застосовні також до крихкого і квазікрихкого руйнування полімерів, а опір цих матеріалів до руйнування при утворенні тріщин може бути виражено величиною в'язкості руйнування при площинною деформації. Значення KIc залежать від характеристик полімеру - його молекулярного ваги, міри кристалічності, а також від температури, швидкості деформації та природи навколишнього середовища.

Редакція оплачує на договірній основі
технічні статті, маркетингові звіти, рецептури, огляди ринку
і іншу галузеву інформацію та права не її розміщення

Повне або часткове використання будь-яких матеріалів, розміщених на Plastinfo.ru,
в ЗМІ, друкованих виданнях, маркетингових звітах, дозволяється тільки за умови посилання
на «Plastinfo.ru» і в деяких випадках вимагає письмового дозволу ТОВ Пластінфо