Руйнування металів, матеріалознавство
Під руйнуванням розуміють процес зародження і розвитку в металі тріщин, що приводить до поділу його на частини. Руйнування відбувається в результаті або розвитку декількох тріщин, або злиття поруч розташованих тріщин в одну магістральну тріщину, через яку відбувається повне руйнування.
Руйнування може бути крихким (в металах - квазікрихкого) і (або) в'язким. Механізм зародження тріщин однаковий як при крихкому, так і при в'язкому руйнуванні. Виникнення мікротріщин частіше відбувається завдяки скупченню рухомих дислокацій (пластичної деформації) перед перешкодою (кордонами зерен, міжфазній межі, перед всілякими включеннями і т. Д.).
Мал. 55. Схема утворення тріщини: 1 - тріщина; 2 - межа вірна
зародкові тріщини
У місці скупчення дислокації вони можуть прийти в настільки тісне зіткнення, що їх екстраплоскості зливаються, а під ними утворюється зародкова тріщина (рис. 55). Тріщина утворюється в площині, перпендикулярній до площини ковзання, коли щільність дислокацій досягає 1012 - 1013 см-2, а дотичні напруження у вершини їх скупчення
0,7 G. При крихкому руйнуванні виникла тріщина стає нестабільною і зростає мимовільно, якщо її довжина (при заданій напрузі) перевищує деяке критичне значення, а вершина тріщини зберігає гостроту, порівнянну (по радіусу у вершини) з атомними розмірами. У цьому випадку напруги на краю тріщин виявляються достатніми для порушення межатомной зв'язку.
При руйнуванні розповсюджується тріщина буде облямована вузькою зоною пластичної деформації, на створення якої витрачається додаткова енергія. В'язке і крихке руйнування розрізняються між собою за величиною пластичної зони біля вершини тріщини. При крихкому руйнуванні величина пластичної зони в гирлі тріщини мала. При в'язкому руйнуванні величина пластичної зони, що йде попереду розповсюджується тріщини, велика, а сама тріщина затупляется у своєї вершини.
В'язке руйнування обумовлено малою швидкістю поширення тріщини. Швидкість поширення крихкої тріщини досить велика. Для стали швидкість росту тріщини досягає 2500 м / с. Тому нерідко крихке руйнування називають «раптовим», або «катастрофічним», руйнуванням.
В'язке і крихке руйнування можна пов'язати з енергоємністю процесу руйнування при тому чи іншому вигляді випробування. Грузлому руйнування відповідають зазвичай високі значення поглиненої енергії, т. Е. Велика робота поширення тріщини.
Енергоємність крихкого руйнування мала і відповідно робота поширення тріщини також мала.
З точки зору мікроструктури існують два види руйнування - транскристаллитного і інтеркрісталлітное. При транс- крісталлітном руйнуванні тріщина поширюється по тілу зерна, а при інтеркрісталлітном вона проходить по межах зерен.
Мал. 56. Злами стали: а - види зламу; 1 - крихкий; 2 і 3 - втрутився; 4 - в'язкий; б мікрофрактограмми (зліва направо) вузького (чашковий), крихкого (ручьістий), інтеркрісталлітного крихкого зламів (Х6000)
При поширенні тріщини по тілу зерна може відбуватися як в'язке, так і крихке руйнування. Межзеренное руйнування завжди є крихким. Треба відзначити, що межзеренное руйнування присутній завжди, але більше проявляється при крихкому руйнуванні.
Види руйнувань металів
За зовнішнім виглядом зламу розрізняють: 1) крихкий (світлий) злам (рис. 56, а, 1), поверхня руйнування якого характеризується наявністю блискучих плоских ділянок; такий злам властивий крихкому руйнуванню; 2) в'язкий (матовий) злам (рис. 56, а, 4), поверхня руйнування якого містить вельми дрібні уступи - волокна, що утворюються при пластичної деформації зерен в процесі руйнування; цей злам свідчить про в'язкому руйнуванні. Змішаний характер руйнування показаний на рис. 56, а, 2, 3.
Вивчення тонкої структури зламу за допомогою електронного мікроскопа (мікрофрактографія) дозволяє більш впевнено судити про в'язкому або крихкому характері руйнування. В'язке руйнування характеризується ямковим ( «чашковим») зламом (рис. 56, б, перший зліва); ямка - мікроуглубленія на поверхні зламу, що виникає в результаті утворення, росту і злиття мікропорожнеч. Глибина ямки визначається здатністю металу до локальної пластичної деформації.
Злам при крихкому руйнуванні має ручьістий візерунок (див. Рис. 56, б), що представляє собою систему сходяться сходинок відколу \ утворюються в результаті деформації руйнування перемичок між крихкими тріщинами, що поширюються шляхом відколу по паралельним, близько розташованим кристалографічних площинах. На відміну від в'язкого руйнування крихке руйнування поширюється усередині окремих зерен уздовж площини з найбільш щільною упаковкою атомів, званої площиною відколу.
В'язкий чашковий і крихкий ручьістий злами відносяться до транскристалічний руйнування.
При дослідженні на електронному мікроскопі крихке руйнування, що йде по межах зерен, виявляється у вигляді гладких поверхонь, так званих фасеток зернограничного відколу часто з деякою кількістю виділилися частинок (див. Рис. 56).
Мал. 57. Схеми крихкого (I) і вузького (II) руйнувань стали в залежності від температури
Межзеренное руйнування полегшується при виділенні по межах зерен частинок тендітної фази.
Одні і ті ж (за складом) сплави в залежності від попередньої обробки і методу випробування можуть бути і в'язкими і крихкими.
Багато метали (Fe, Mo, W, Zn і ін.), Які мають ОЦК і ГПУ кристалічні решітки, в залежності від температури можуть руйнуватися як в'язко, так і крихке. Зниження температури обумовлює перехід від в'язкого до крихкого руйнування. Це явище отримало назву хладноломкости. Явище хладноломкости можна пояснити схемою А. Ф. Іоффе (рис. 57). Зниження температури практично не змінює опору відриву (руйнівного напруження), але підвищує опір пластичної деформації (межа плинності). Тому метали, в'язкі при порівняно високих температурах, можуть при низьких температурах руйнуватися крихке. У зазначених умовах опір відриву досягається при напрузі, менших, ніж межа плинності. Точка перетину кривих ат і Sотp, відповідна температурі переходу металу від в'язкого руйнування до крихкого, отримала назву критичної температури крихкості, або порога хладноломкости. Чим вище швидкість деформації, тим більше схильність металу до крихкого руйнування. Всі концентратори напружень сприяють крихкому руйнуванню. Зі збільшенням гостроти та глибини надрізу схильність до крихкого руйнування зростає. Чим більше розміри виробу, тим більша ймовірність крихкого руйнування (масштабний фактор).