Вязкое разрушение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Вязкое разрушение

Возможные типы вязкого разрушения

Явлению вязкого разрушения уделяют обычно значительно меньше внимания, чем хрупкому. Это связано с его меньшей опасностью, т.к. развивается оно обычно со значительно меньшей скоростью, чем хрупкое. Напряжение необходимое для его развития, превышает значение предела текучести материала, используемого при расчётах прочности деталей и конструкций. Поэтому случаи пластического разрушения в практике эксплуатации сравнительно редки. Изучение вязкого разрушения важно для определения правильных режимов многих технологических операций: прессование, волочение, глубокая вытяжка и др. процессов, связанных со значительными пластическими деформациями.

Особенности пластического разрушения:

1. Большая величина пластической деформации, необходимая для распространения вязкой трещины.

2. Процесс может быть остановлен на любой стадии, если действующее напряжение снизится, его значение будет ниже напряжения течения материала перед трещиной.

Закономерности пластического разрушения металлов обычно изучают при испытании разрывных образцов на растяжение.

Возможны несколько типов пластичного разрушения при растяжения.

В монокристаллах:

1. Срез - разрушение характерно для металлов с гексагональной решёткой, происходит в результате продолжительного скольжения в нескольких удалённых друг от друга плоскостях, приводящее к разрушению в результате сдвига (путём среза).

2. Лезвие ножа - разрушение характерно для металлов с ГЦК решёткой (Cu, Ag) разрушение происходит с образованием шейки, выражающейся в линии - «лезвие ножа».

2А. В этих же металлах шейка может практически отсутствовать и разрушение происходит после интенсивного скольжения с образованием грубых полос деформации.

В поликристаллах:

3. Шейка в виде точки - наблюдается в высокопластичных металлах с ГЦК решёткой, сужение поперечного сечения перед разрушением составляет 100%.

4. Чашечный излом, т.е. излом конус - чашечка, наблюдается в менее пластичных поликристаллических металлах и является наиболее характерным.

Этот тип разрушения наблюдается наиболее часто и используется под термином «пластичное» (вязкое).

При однократном нагружении при нагрузке вплоть до временного сопротивления, характерным является внутрезёренное распространение трещины, однако может быть и межзёренное.

В зависимости от направления действия максимальных растягивающих напряжений, макроскопически излом характеризуется:

· Волокнистой, матовой, сильно шероховатой поверхностью - разрушение распространяется перпендикулярно направлению напряжений.

· Шелковистой поверхностью - распространение разрушения совпадает с направлением действия касательных напряжений.

Вязким, как и другим изломам, свойственно неоднородность строения. Даже в пределах одного зерна разрушение происходит неоднородно, например, частично по плоскости скола с образованием гладкой блестящей фасетки в изломе, частично по другим поверхностям, деформированным в процессе разрушения.

Макроскопический вид поверхности вязкого излома, характерные зоны типового излома и их строение, зарождение и распространение вязких трещин

Макроскопический вид поверхности излома используют для оценки степени вязкости металла. В соответствии с теорией механики разрушения, вязкость является тем механическим свойством, которое наиболее тесно связанно с сопротивлением разрушению, т.е. с сопротивлением распространения трещины. Работа распространения трещины характеризует надёжность материала.

Работа разрушения:

Поверхность излома содержит остаточные признаки, которые указывают на протяжённость при разрушении вязкого и хрупкого распространения трещины. Всё, что определяет величину вязкости, а именно: природа материала, из которого изготовлена деталь, её величина и форма, температура, среда и способ нагружения - изменяет вид излома.

Поэтому характерные особенности строения изломов каждого данного сплава не постоянны от излома к излому, а определённым образом изменяются в зависимости от изменения вязкости, связанного с конкретной термической обработкой и конфигурацией образца или детали.

В цилиндрических образцах для поверхности изломов образцов, испытанных на растяжение, характерны три зоны:

1 - волокнистая, 2 - радиальная, 3 - зона среза.

Изломы, имеющие только одну зону, образуются лишь при условии очень большой вязкости или хрупкости.

На большинстве поверхностей излома различают две или три зоны:

1. Волокнистая, и зона среза.

2. Волокнистая, радиальная и зона среза.

3. Радиальная зона и зона среза.

Волокнистая зона - отвечает области медленного роста трещины. Она расположена в центре излома, а очаг излома, т. е. очаг зарождения трещины, - в центре волокнистой зоны. Очаг обычно можно различить по несплошности, по включению или скоплению включений. Фрактографическое исследование показало, что при различных уровнях прочности и температурах испытаний распространение трещины в волокнистой зоне происходит в результате слияния микропор при разрушении перемычек между ними. Это можно увидеть только при очень больших увеличениях, получаемых с помощью электронного микроскопа.

Радиальная зона - при переходе трещины от медленного роста к быстрому или нестабильному её распространению образуются радиальные рубцы, которые совпадают с общим направлением распространения трещин. Эти расходящиеся рубцы начинаются либо от периферии волокнистой зоны, либо при отсутствии этой зоны - от самого очага излома. Точкой в которой сходятся радиальные рубцы, является очаг излома.

Обычно радиальные рубцы на изломах разрывных образцов прямолинейны. Если волокнистая зона мала или отсутствует и если очаг излома находится на значительном расстоянии от оси растяжения, то радиальные рубцы перестают быть прямолинейными, они исправляются.

Зона среза - состоит из ровного кольцеобразного участка, смежного со свободной поверхностью образца. Величина зоны среза зависит от напряжённого состояния и свойств металла. Отсутствие этой зоны возможно только когда металл находится в чрезвычайно хрупком состоянии.

Размеры и форма образцов для испытаний или деталей оказывают большое влияние на вид поверхности излома. Поскольку от формы образца зависит напряжённое состояние, соотношение зон излома у квадратных и прямоугольных образцов иное, чем у образцов с круглым поперечным сечением.

Волокнистая зона у прямоугольного образца может быть по форме эллиптической с большой осью, параллельной длинным сторонам прямоугольника. Главное различие внешнего вида изломов, вызванное формой образца, связано с радиальной зоной: она уменьшается за счёт увеличения зоны среза. В изломах образцов очень тонких сечений, когда реализуется плосконапряжённое состояние, радиальная зона отсутствует.

Рис. 1. Схематическое изображение зон типичного излома, образующегося при растяжении гладкого цилиндрического образца

Рис. 2. Излом гладкого образца из стали 45 после испытания на растяжение при -196С. Состоит из радиальной зоны и зоны среза

Структура стали отпущенный мартенсит.

Радиальные рубцы занимают почти всю площадь, за исключением узкой полоски зоны среза

Рис. 3. Схематическое изображение излома прямоугольного образца

Рис. 4. Очень тонкий образец имеет небольшую волокнистую зону вокруг очага разрушения и зону среза при отсутствии радиальной зоны (стрелками показано направление распространения трещины)

Фрактография

Термин «фрактография» возник в 1944 г. для определения науки, изучающей поверхности разрушения.

Наиболее важная область применения фрактографии - анализ эксплуатационных повреждений. Она может быть полезным источником информации о внутреннем строении металлов и позволяет:

· установить температуру перехода от вязкого разрушения к хрупкому,

· Обнаружить изменения в составе сплавов, например, наличие ликвации,

· Выявить водородное охрупчивание,

· Выявить линии усталости и.т.д.

Изломы изучают невооружённым глазом, при помощи оптических микроскопов, электронных микроскопов и рентгеноструктурного анализа.

Изломы изучают для оценки качества материалов для выявления следующих дефектов:

· В литых металлах: раковины, поры, плёнки, неметаллические включения, ликвация и пр.

· В горячекатаных заготовках: расслоения, перегревы, флокены,трещины и пр.

Анализ изломов также целесообразен для выяснения причин разброса или пониженных механических свойств при различных испытаниях.

Металлурги занимаются изучением изломов в течение многих веков. Значение фрактографии для металловедения определяется тем, что она, во-первых, является эффективным средством анализа причин эксплуатационных повреждений, а во-вторых, обеспечивает получение новой информации относительно микромеханизмов разрушения и внутренних особенностей структуры твердого тела.

Контролируемое разрушение - одно из наиболее ранних достижений человека. Используя контролируемое разрушение, человек задолго до изобретения колеса, ещё в каменном веке создавал орудия, придавая камню необходимую форму.

При изготовлении каменного оружия и инструментов древние мастера должны были знать, как выбирать типы каменных пород, наиболее пригодные для контролируемого разрушения, как отделить будущую заготовку от основания скалы и как придавать форму каменных орудиям путем расслаивания под давлением.

Другими древними примерами высокого мастерства при использовании приёмов разрушения и разрезки камня с получением точных размеров служат великая пирамида Хеопса, многочисленные обелиски и Храм Амена в Эль-Карнаке в Египте, Стоунхендж в Англии и т. д. Однако следует отметить, что хотя все эти сооружения предполагают знания о разрушении как средстве придания объекту необходимой формы, при их возведении не было необходимости в интерпретации особенностей поверхности разрушения.

Само использование характера разрушения для оценки качества металла в средние века считалось тщательно охраняемым секретом. Одно из наиболее ранних упоминаний об этом содержится в книге Ваноччио Бирингуччио «De La Pirotechnia», в ней указывается, что оценку по виду излома можно с успехом использовать как средство определения качества черных и цветных металлов. В 1627 г. Луи Саво описал применение методик, рекомендуемых Бирингуччио, для контроля качества крупных колоколов при их изготовлении. Он описал метод определения размера зерна в изломах контрольных образцов как способ регулирования состава для обеспечения необходимого сопротивления ударному нагружению.

Хотя микроскоп был изобретен в начале 1600-х годов, первая публикация о его применении для исследований разрушения металлов относится к 1722 г., когда Реомюр опубликовал книгу, содержащую гравюры, воспроизводящие как макро-, так и микроособенности поверхностей разрушения чугуна и стали.

Фрактограммы, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа

Изучение поверхности изломов с помощью ПЭМ производится на репликах, которые получают:

1. С помощью пластиковой плёнки, которая может быть нанесена на поверхность разрушения или сформирована на ней.

2. Нанесение углеродной плёнки на поверхность образца методом вакуумного напыления.

3. Путём нанесения оксидной плёнки, которая может быть сформирована на поверхности разрушения методом химической обработки.

Применяемое увеличение до 30000 раз. Особенности разрушения, обнаруживаемые с помощью ПЭМ, могут значительно изменяться в пределах одного излома, поэтому для определения характера разрушения изучается много полей.

Разрушение классифицируют, исходя из пути трещины, механизма её распространения и детали рельефа поверхности.

Существует два пути магистральной (основной) трещины: внутризеренный (транскристаллический) и межзеренный (интеркристаллический).

При внутрезёренном распространении трещины возможны следующие механизмы разрушения и соответственно микроскопические детали рельефа: слияние микропор (ямки), отрыв (гребни отрыва), скол (ручьистый узор), усталость (бороздки). Слияние микропор приводит к возникновению ямок на поверхности разрушения.

Микропоры обычно зарождаются в процессе пластического течения на включениях, нерастворённых частицах вторых фаз (например, карбидах), границах зёрен, полосах деформации и в любых других местах, где наличие некоторой несплошности приводит к концентрации напряжения. По мере увеличения пластической деформации имеющиеся микропоры растут, зарождаются новые микропоры; в конце концов расстояние между крупными микропорами оказывается достаточно малым и разделяющее их тонкие перегородки (мембраны), разрываются, результатом чего является разрушение. Образованные при этом поверхности излома содержат многочисленные чашеподобные углубления, или «ямки».

На форму ямок влияют относительные направления напряжений, определяющих рост микропор:

· Разрушение происходит в результате одноосного растяжения - ямки имеют равностороннюю форму:

· Разрушение происходит в результате сдвига или кручения - ямки имеют удлиненную параболическую форму, причём на противоположных поверхностях разрушения ямки развёрнуты в противоположных направлениях:

· Если разрушение в результате расклинивающего отрыва - ямки имеют удлиненную форму, однако на противоположных поверхностях разрушения они ориентированы одинаково.

Отрыв - локальное разрушение, которое часто возникает в результате нарушения продвижения трещины при наложении некоторого другого механизма разрушения. Перемычки разрушаются путём пластического течения или шейкообразования; такой вид разрушения сопровождается образованием гребней отрыва.

Скол - представляет собой расщепление по определённым кристаллографическим плоскостям, в металлах с ОЦК и ГПУ решётками. Трещины скола зарождаются в местах, где затрудненно кристаллографическое скольжение: на границах зёрен, на пересечениях двойников и плоскостей скольжения, на включениях и частицах второй фазы.

Усталость - разрушение под действием циклических напряжений. Та часть процесса усталости которая обуславливает рост уже образовавшейся трещины, оставляет на поверхности разрушения четкие фрактографические детали, называемые «усталостные бороздки» или «полосы усталости».

Межзёренные разрушения возникают в результате разделения поликристаллических материалов по границам зёрен. Большая часть межзеренных изломов по внешнему виду легко отличаются от разрушений других видов.

Однако межзеренные разрушения, которые выглядят одинаково, могут быть вызваны различными причинами:

· Малопрочные или хрупкие выделения по границам зёрен.

· Механические факторы (трёхосное напряжение)

· Коррозия под напряжением.

· Водородная и тепловая хрупкость.

Рис. 5. Поверхность излома разрывного образца с искривленными сдвиговыми рубцами Сталь 40Х. Испытание на растяжение при комнатной температуре. Очаг разрушения (от микровключения) расположен левее центра, что привело к образованию искривленных радиальных сдвиговых рубцов

Рис. 6. Рельеф межзеренного разрушения стали 40Х, наблюдаются объёмы, расщепившиеся по границам без слияния микропор

вязкий излом повреждение пластический

Размещено на Allbest.ru