Классификация дефектов кристаллического строения Дефекты Объемные Точечные малы

Классификация дефектов кристаллического строения Дефекты Объемные Точечные (малы в 3 направлениях): Линейные (малы в 2 направлениях): Поверхностные (малы в 1 направлении): (велики во всех 3 направлениях): вакансии, межузельные атомы, примесные атомы Дислокации: (краевые, винтовые, смешанные) границы зерен, границы субзерен и двойников, дефекты упаковки поры, зародыши трещин, неметаллические включения, поры

Объемные дефекты образуются между зернами металла. Они имеют значительные размеры в трех измерениях и образуются в процессе производства металла, либо при изготовлении заготовки или готового изделия. Это поры, раковины, пустоты, включения шлаков, окислов и т. д. Фотография газо термического покрытия с порами

Зарождение и рост вакансионных пор под облучением Структура пор характеризуется их плотностью и средним размером

Газовые пузыри по границам зерен Пузыри наполненные гелием по границам зерен

Объемные дефекты Неметаллические включения

Включения фаз Кластеры Сегрегация

Объемные дефекты Неметаллические включения – места зарождения трещин

Образование трещины по границам тройных стыков

НАПРЯЖЕНИЯ В ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ Трещина это препятствие на пути силовых линий. Концентрация силовых линий воздействует на распределение напряжения в поперечном сечении. Согласно решению теории упругости для предельного концентратора, такого как трещина, максимальное напряжение стремится к бесконечности.

- размер сингулярной зоны - длинна трещины

В вершине трещины существует маленькая зона, напряжения может быть легко рассчитаны Для различных схем, размер сингулярной зоны различен. Во многих случаях, он приблизительно равен 0. 1 от длины трещины - размер сингулярной зоны - длинна трещины

Критерий Гриффитса или — энергия деформации, — работа на разрыв связей, — длина трещины, — энергия упругой деформации. Условие хрупкого разрушения для самопроизвольного распространения одиночной трещины в линейно упругом теле: «Разрушение произойдет тогда, когда при бесконечно малом удлинении трещины будет выделяться больше упругой энергии, чем это требуется для удельной энергии образования новых поверхностей» . По принципу Гриффитса существующая в теле трещина станет лавинообразно распространяться, если высвобождение энергии упругой деформации на единицу длины трещины превзойдет работу на разрыв связей

Под хрупким разрушением твердых тел понимают наступающее при соответствующих условиях необратимое нарушение сплошности вследствие распространения в теле макроскопических трещин, приводящего к тому, что тело распадается на части. Образовавшиеся после разрушения части можно сложить так, чтобы составленное из них тело совпадало с исходным. Процесс разрушения образца кубической формы путем одноосного сжатия с помощью гидравлического пресса ХР может наступить как при медленно нарастающей (квазистатической) нагрузке, так и при быстром (динамическом) приложении нагрузк

В общем случае различают вязкое и хрупкое разрушения. Вид разрушения зависит от многих факторов: состава металла, его структурного состояния, условий нагружения и температуры. Вид разрушения вязкий или хрупкий определяют в результате изучения изломов. Хрупкое разрушение характеризуется ручьистым изломом. Вязкое разрушение происходит срезом под действием касательных напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен волокнистый (матовый) излом детали или образца. Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации.

Любой тип разрушения материалов и конструкций приводит к негативным последствиям. Причем хрупкое разрушение более опасно, чем, например, вязкое разрушение. Это связано с тем, что хрупкое разрушение проявляется внезапно и развивается лавинообразно, неуправляемо. Вязкое разрушение может быть прогнозируемо (а в некоторых случаях и предотвращено) на основании экспериментальных зависимостей деформации от напряжения, отражающих процесс подготовки разрушения материала. Критические значения напряжений, соответствующих разрушающим деформациям, для конструкционных материалов, проявляющих склонность к разрушению по хрупкому типу, устанавливают путем прочностных испытаний

Усталостью называется разрушение металлов под действием повторных нагрузок. Оно происходит у пружин автоматики. Большая часть поломок деталей вызвана усталостью материала. Усталостное разрушение развивается в деталях, работающих при напряжениях меньше предела текучести материала. Упругопластическая деформация при достижении достаточно высоких напряжений может завершиться разрушением тела. Процесс разрушения состоит из нескольких стадий: зарождение микротрещин, образование макротрещин, распространение макротрещины по всему сечению тела.

Ротор c лопатками паровой турбины

Лопатка после эксплуатации

Образование трещины Лопатки с защитным покрытием эксплуатируются на Новочеркасской ТЭС. На 01. 2013 року наработка больше 148 тис. часов

Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушениях происходит путем скопления дислокаций перед границами зерен или другими препятствиями (неметаллические включения, карбидные частицы, межфазовые границы), что приводит к концентрации напряжений. При анализе микроструктуры различают транскристаллитное (по телу зерна) и интеркристаллитное (по границам зерен) разрушения. Разрушение металла в условиях эксплуатации конструкций и машин может быть не только вязким или хрупким, но и смешанным – вязкохрупким.

Усталостные трещины зарождаются в поверхностных впадинах. Один из возможных механизмов образования выступов и впадин связан с круговым движением винтовых дислокаций. Винтовая дислокация перемещается из одной плоскости в другую по замкнутому контуру при помощи поперечного скольжения. В итоге дислокация выходит на поверхность, на которой образуются выступы и впадины. Микротрещины при циклическом нагружении зарождаются на начальной стадии испытания за счет притока вакансий и последующего возникновения и слияния микропор. В образце может образоваться большое количество микротрещин. Но в дальнейшем развиваются не все микротрещины, а лишь те, у которых имеются наиболее острые вершины и которые наиболее благоприятно расположены по отношению к действующим напряжениям. К окончательному разрушению образца приводит самая длинная, острая и глубокая трещина, распространяясь по сечению образца: для усталостного излома образца характерно наличие зоны прогрессивно растущей трещины и зоны окончательного излома.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся тре щина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Ско рость распространения хрупкой трещины велика – близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разру шения мала, а работа распространения трещины близка к нулю. Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространя ется по телу зерна, нтеркристаллитное – по границам и зерен (всегда хруп кое). Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кри сталлический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распростра няется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпен дикулярна нормальным напряжениям.

Изменение микротвердости Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела — индентора Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость: • поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка; • проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка; • объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Твердость Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30 к. Н. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0, 2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0, 2 мкм[1]. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness)

Методы определения твердости Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения): • Метод Бринелля • Метод Роквелла • Метод Виккерса • Твёрдость по Шору

Твердость по Бринеллю • Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. • Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга (твердость по Мейеру)); • размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг с/мм²). • Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012 59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ. ), B — Бринелль;

Твердость по Бринеллю Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849— 1925) в 1900 году, и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Твердость по Викерсу • Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. • Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); • размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

Твердость по Викерсу Установка для измерения твёрдости

Твердость материалов