Тема 5 Разрушение кристаллов 5 1 Нарушение сплошности

Тема 5. Разрушение кристаллов 5. 1. Нарушение сплошности кристалла. 5. 2. Критерий зарождения и роста трещин. 5. 3. Механизмы зарождения и роста трещин и пор. 5. 4. Долговечность. 5. 5. Вязкое и хрупкое разрушение. 5. 6. Усталостное разрушение. 1

5. 1. Нарушение сплошности кристалла • Нарушение сплошности кристалла изучается меха никой разруше ния твёрдых тел. • Это раздел физики твёрдого тела, изучающий закономерности зарождения и роста трещин. В механике разрушения широко используется аппарат теории упругости, теории пластичности, материаловедения. • Основы механики разрушения были заложены публикацией Аланом Гриффитcом результатов исследования разрушения стеклянных образцов. Под действием нагрузки в теле запасается потенциальная энергия упругой деформации (например при растяжении пружины), при росте трещины часть потенциальной энергии освобождается. Гриффитc показал, что рост трещины возможен только в том случае, если при её росте выделится больше энергии, чем требуется для образования новых поверхностей при росте трещины (то есть для разрыва межатомных связей в вершине трещины). Этот подход получил название энергетического критерия хрупкого разрушения. 2

Понятие о механике разрушения Постановка вопроса о прочности • Основной областью применения сопротивления материалов и в целом механики деформируемого твердого тела является оценка прочности реальных материалов и элементов конструкций при их эксплуатации. Определение напряжений, деформаций и перемещений в телах еще не дает ответа на вопрос об их прочности. Термин «прочность» требует некоторого разъяснения. • В широком смысле слова под нарушением прочности (разрушением) понимается достижение такого состояния, когда нарушается конструктивная функция тела и оно становится непригодным к эксплуатации. В прямом, но более узком смысле слова, под нарушением прочности (разрушением) понимается разделение тела на части. Для пластичных материалов под разрушением следует понимать возможность появления недопустимо больших деформаций. 3

а б в • Заметим, что для пластичных материалов выполнение условия пластичности в одной точке тела еще не означает потери его несущей способности. Например, в балке на рис. а появление пластичности в точках А и В среднего опасного сечения не представляет реальной опасности. Поэтому расчет по методу допускаемых напряжений для пластичного материала безусловно гарантирует прочность элемента конструкции. В то же время перемещения в балке остаются ограниченными, и потому обнаруживается значительный резерв прочности. • При увеличении внешней нагрузки заштрихованные пластические зоны расширяются и, наконец, соединяются, отделяя при этом жесткие части А и В друг от друга (рис. б). Эти части могут теперь свободно перемещаться друг относительно друга, а тело балки получает неограниченно большие деформации и перемещения (рис. в). 4

• Поэтому расчет по методу допускаемых нагрузок представляет собой расчет на прочность. С другой стороны, пластические материалы при низких температурах разрушается без заметных пластических деформаций. Такое разрушение называют хрупким в результате разрыва материала. Разрушение хрупкого материала начинается локально с отдельной микротрещины путём её разрастания. • Локальное разрушение служит источником концентрации напряжений и потому может послужить началом мгновенного разрушения тела в целом путем разделения на части. Поэтому расчет хрупких материалов на прочность по допускаемым напряжениям в наиболее напряженной точке тела оправдан. • Отметим, что деление материалов на пластические и хрупкие является условным. Например, хрупкие материалы (бетон, гранит и др. ) при высоких давлениях и температурах обнаруживают значительные пластические деформации. Существенную роль в оценке прочности играет время. Последствия землетрясения в Японии. Хрупкое разрушение асфальта. 5

• Разрушение является процессом, развертывающимся во времени, и потому может произойти при разных уровнях напряжений. Так, в условиях ползучести мы ввели понятие о времени разрушения, пределе длительной проч ности (напряжении, приводящем к разрушению через определенное время). • Таким образом, проблема прочности и разрушения зависит от многих факторов и очень сложна. Несмотря на сложность проблемы, в сопротивлении материалов есть разделы, с помощью которых можно прямо и непосредственно ответить на вопрос о возможности разрушения. Это разделы об устойчивости и колебаниях упругих и упругопластических систем. • Достижение нагрузкой предельной величины можно считать за момент разрушения. Если частота возмущающей силы совпадает с частотой низших собственных колебаний, наступает резонанс с недопустимо большими перемещениями, приводящими к разрушению. Отметим, что резонанс на высоких гармониках, как правило, не страшен. 6

Многие знают что даже военные не ходят "в ногу" по мостам. Дело в том что были печальные прецеденты неожиданных резонансов как у нас, так и в остальном мире. English: Broughton Suspension Bridge 1883 Тэкомский мост, или мост Тэкома Нэрроуз — подвесной мост в США, в штате Вашингтон общей длиной 1600 м и длиной центрального пролёта 850 м (третий по величине мост в мире в момент открытия 1 июля 1940 года). Первый вариант моста, спроектрованный Кларком Элдриджем и Леоном Моиссеиффым, разрушился 7 ноября того же года из за недоучета ветровой нагрузки и явления механического резонанса. Это событие было заснято на киноплёнку и легло в основу документального фильма «The Tacoma Narrows Bridge Collapse» (1940). Восстановленный мост был открыт в 1950 году. Посмотреть по ссылке «танцы» моста в Аклахоме 7

Классификация разрушений По своему характеру разрушение подразделяется на следующие виды. • Пластическое. Происходит после существенной пластической деформации, протекающей по всему или почти по всему объему тела. Примером пластического разрушения может служить разрыв образца из отожженной меди после 100% сужения шейки при растяжении, происходящий в результате утраты способности материала сопротивляться пластической деформации. • Хрупкое. Происходит в результате распространения магистральной трещины после пластической деформации, сосредоточенной в области действия механизма разрушения. Хрупкое разрушение подразделяется на идеально хрупкое и квазихрупкое (как бы хрупкое). • Идеально хрупкое или хрупкое разрушение происходит без пластической деформации. После разрушения можно заново составить тело прежних размеров из осколков зазоров между ними. • 8

Классификация разрушений (продолжение) • Квазихрупкое разрушение предполагает наличие пластической зоны перед краем трещины (локальная зона пластической деформации) и наклепанного материала у поверхности трещины. Остальной, значительно больший по величине, объем тела находится при этом в упругом состоянии. • Усталостное. Происходит при повторно циклическом нагружении в результате накопления необратимых повреждений. При этом виде разрушения на поверхности тела вначале появляются микротрещины, одна из которых в результате многократного приложения нагрузки прорастает в макротрещину с последующим полным разрушением образца или детали машин. Различают многоцикловую или малоцикловую усталость. • Многоцикловая усталость или просто усталость характеризуется номинальными напряжениями, меньшими предела текучести; повторное нагружение происходит в упругой области вплоть до разрушения. • Малоцикловая усталость характеризуется номинальными напряжениями, большими предела текучести. При каждом цикле нагружения в теле возникает макроскопическая пластическая деформация. При таком виде нагружения число циклов до разрушения не превышает 105. 9

• Деформация и разрушение при ползучести. При достаточно высоких температурах в поликристаллическом металле границы зерен становятся более слабыми, чем сами зерна, и значительная часть деформации ползучести происходит за счет скольжения зерен относительно друга. Это скольжение носит характер вязкого течения, оно затруднено кинематически, т. к. зерна имеют неправильную форму и каждое зерно встречает сопротивление со стороны соседних. Скольжение становится возможным за счет пластической деформации зерен и сопровождается появлением межзеренных трещин, приводящих к разрушению. • Коррозионное разрушение. Происходит за счет химических и электрохимических процессов и реакций. Коррозия часто не изменяет механические свойства материала, а приводит к постепенному равномерному уменьшению размеров нагруженной детали, например, вследствие постепенного растворения. В результате напряжения, действующие в опасном сечении, растут, и, когда они превысят допустимый уровень, произойдет разрушение. 10

Хрупкое и пластическое разрушение • В начале мы ввели понятия о двух простейших типах разрушения: • 1) хрупком – путем отрыва от наибольших растягивающих нормальных напряжений ; • 2) пластичном – путем сдвига от максимальных касательных напряжений • Свойство материала разрушаться пластически (вязко) или хрупко не является абсолютным. Каждое тело обладает тем и другим свойством в большей или меньшей степени в зависимости от температуры, внешнего давления, скорости нагружения, времени нагружения и др. 11

12

13

14

• Схематически эти условия показаны на рис. с помощью прямых 1 1 и 2 2. • Пусть напряженное состояние в точке тела описывается окружностью Мора 1 (рис. ), которая касается вертикальной прямой 1 1 и не пересекает прямой 2 2, в этом случае произойдет хрупкое разрушение материала путем отрыва, и критерий разрушения запишется в виде: Сопротивление отрыву R считается постоянной величиной, не зависящей от вида напряженного состояния. Если окружность Мора касается горизонтальной прямой 2 2, то наступает текучесть материала при касательном напряжении, которая может привести, а может и не привести к большим деформациям. • Изложенная простая схема разрушения носит довольно грубый и приближённый характер в силу того, что разрушение является смешанным. Однако представление о существовании двух видов разрушения материалов путём сдвига и отрыва имело и имеет положительное методическое значение для объяснения физической стороны вопроса о разрушении. 15

Теория прочности Мора (1860 г. ) • Согласно этой теории нарушение прочности происходит тогда, когда на некоторой площадке с нормалью возникает наиболее неблагоприятная комбинация нормального и касательного напряжений. Запишем это условие в виде • Чтобы сформулировать условие Мора в терминах главных напряжений, воспользуемся кругами напряжений Мора. • Если , то мы можем в одной плоскости построить три окружности Мора. Это условие изображается в этой плоскости некоторой кривой. 16

• Если окружность большого круга Мора не касается предельной кривой, как показано на рис. а, то разрушения не произойдет. Если круг Мора коснется предельной кривой (рис. б), то произойдет локальное разрушение. Следовательно, становится ясным, как построить предельную кривую . Необходимо провести несколько испытаний до разрушения при различных однородных напряженных состояниях, т. е. различных соотношениях , а затем построить круги Мора. 17

Критерий Сен Венана • Ещё одним простейшим критерием хрупкого разрушения материалов является критерий наибольших удлинений Сен Венана, согласно которому предельное состояние материала в частице тела достигается тогда, когда максимальное растягивающее удлинение достигает некоторого предельного постоянного значения, равного относительному удлинению при разрыве от растяжения, т. е. : • Для хрупкого материала Поэтому получаем: • где величину назовём эквивалентным удлинением. • Данный критерий не нашёл на практике должного экспериментального подтверждения. Однако он в некоторых случаях даёт качественное подтверждение характера разрушения материалов. Например, при сжатии ряда горных пород возникают продольные трещины разрушения. При сжатии и выпучивании цилиндрической оболочки из дюраля возникают продольные трещины от окружного растяжения при отсутствии соответствующего растягивающего напряжения и др. 18

Условие (критерий) пластичности Мизеса • Согласно этому критерию материал переходит в пластическое состояние тогда, когда октаэдрическое касательное напряжение достигает некоторого предельного постоянного значения, т. е. • Условие пластичности Мизеса лучше соответствует экспериментальным данным, нежели условие пластичности Сен Венана. Условие пластичности Мизеса учитывает все три главных напряжения • Отметим, что условие Сен Венана и Мизеса дают различные формулы, связывающие пределы текучести и при чистом сдвиге и растяжении. 19

Типы трещин • • Большую роль в разрушении реальных материалов имеют те или иные дефекты (неоднородность материала, поры, трещины, надрезы, повреждения поверхности). Особая роль среди этих дефектов принадлежит микротрещинам. При малых нагрузках эти трещины безопасны, так как не обнаруживают тенденции к расширению. При больших нагрузках они могут оказаться неустойчивыми, способными к быстрому росту, слиянию друг с другом и образованию магистральных трещин, приводящих к разрушению конструкций. Есть много примеров катастрофического разрушения газопроводов, корпусов судов, мостов, самолетов, ракет в результате трещинообразования. Это свидетельствует о недостаточности оценки прочности с помощью традиционных подходов по упругому или пластическому состоянию конструкций. Поэтому большое значение приобретает анализ закономерностей развития трещины. Трещины начинают развиваться задолго до полного разрушения при усталостном, пластическом и даже хрупком разрушении. Длительность процесса разрушения, т. е. роста трещины до полного разрушения, занимает значительную часть «жизни» детали, доходя до 90% и выше. Главное при эксплуатации детали не наличие у нее трещины, а темп ее роста. Рассмотрим, какие типы трещин встречаются на практике. 20

Раскрытие трещины в твердом теле может быть осуществлено тремя различными путями При нормальных напряжениях возникает трещина типа «разрыв» (тип I) (рис. а), когда берега трещины перемещаются перпендикулярно плоскости трещины. При плоском сдвиге образуется трещина типа «сдвиг» (тип II) (рис. б): перемещения берегов трещины происходят в плоскости и перпендикулярно ее фронтальной линии. Трещина типа «срез» (тип III) (рис. в) образуется при антиплоском сдвиге: перемещения берегов трещины совпадают с плоскостью трещины и параллельны ее направляющей кромке. В общем случае трещину можно описать этими тремя типами. Чаще всего в технике встречается трещина типа I, т. к. большая часть элементов конструкций разрушается в случае, если берега трещины перпендикулярны плоскости трещины. 21

Дефекты структуры тела, способствующие разрушению • Применяемые на практике металлы и сплавы представляют собой твердые растворы с упорядоченным и неупорядоченным аморфным распределением атомов. Твердые растворы могут содержать несовершенства четырех основных типов: точечные (нуль мерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные). К первым относятся вакансии (свободные узлы кристаллической решетки) и межузельные (смещенные) атомы; ко вторым – цепочки точечных дефектов, различные типы дислокаций; к третьим – дефекты упаковки атомов, границы зерен, блоков, двойников и т. д. ; к четвертым дефектам относятся поры, включения, выделения, технологические трещины и подобные образования, размеры которых намного превосходят межатомные расстояния. 22

• Любой материал, какой бы технологической обработке он ни подвергался, всегда обладает каким либо несовершенствами: большим количеством вакансий или межузельных атомов, большой первоначальной плотностью дислокаций, микротрещинами, включениями, дефектами изготовления. • Каждое из этих несовершенств определенным образом влияет на прочность детали, т. е. на развитие в ней трещины. До сороковых годов XX в. наличие дефектов в деталях машин или элементах конструкций при расчетах на прочность не учитывалось. Считалось, что при достижении предельного значения напряжения конструкция мгновенно разрушается, т. е. процесс развития трещин во внимание не принимался. • Однако анализ катастроф гражданских и промышленных объектов в авиации, в морском судоходстве показал, что развитие трещины занимает значительный период, предшествующий не только пластическому разрушению, но и усталостному, и даже хрупкому. • Во всех этих случаях разрушение происходило без заметных остаточных деформаций. Наблюдения показали, что развитие трещины – сложный процесс и знание его закономерностей имеет огромное значение для практики. 23

5. 3. Механизмы зарождения и роста трещин и пор • • Механизм зарождения трещины при низких переменных нагрузках представляет собой интенсификацию одной полосы скольжения в зернах, благоприятно ориентированных по отношению к максимальному напряжению сдвига. Деформация в основном ограничивается свободной поверхностью. Описанный выше механизм зарождения трещин, инициированных скольжением, может действовать во многих системах, однако часто вместо него действуют другие механизмы, если имеются более благоприятные места для образования трещин. Межзеренный характер механизма зарождения, роста и коалесценции пор типичен для высокотемпературной ползучести. Зарождение пор происходит вследствие локализации пластической деформации у частиц второй фазы. Последующий рост пор связан с действием приложенного растягивающего напряжения. Так же как при внутризеренном вязком разрушении критерий зарождения микропоры требует достижения критической деформации сдвига у границы частица матрица. Вязкие трещины имеют, как правило, внутризеренный характер распространения. Вязкая трещина ориентирована либо нормально к направлению действия растягивающих напряжений, либо совпадает с направлением действия касательных напряжений. 24

Дислокационная модель образования трещин в структуре металла • Имеется много различных дислокационных механизмов образования зародышевых трещин. Зарождение трещины скола при негомогенной пластической деформации в металлах объясняется тем, что у конца задержанной полосы скольжения возникает большая концентрация сдвиговых напряжений, по величине превышающая силы межатомной связи материала. • Необходимое напряжение достигается блокированием дислокаций у барьеров, которыми могут служить границы зерен в поликристаллах или частицы твердой второй фазы в загрязненных металлах. Поэтому возникает трещина сдвига. • В зависимости от кристаллической структуры материала возможны и другие механизмы зарождения трещины. Например, дислокационные модели зарождения микротрещин: модель Зинера Стро и модель Коттрелла. Общим для всех механизмов зарождения трещин является то, что этот процесс — следствие пластической деформации. 25

Вакансионная модель образования пор в структуре металла • Деформация ползучести, особенно при высоких температурах и низких напряжениях, связана не с движущимися дислокациями, а происходит вакансионным путем и является результатом направленного массопереноса. Диффузионные потоки вакансий вдоль границ зерен больше транскристаллитных потоков. Это стимулирует зернограничную деформацию и образование трещин и микропор на стыке кристаллитов. Межзеренное проскальзывание вдоль границы со ступенькой способствует образованию микропор. • Микропоры могут образовываться около частиц избыточных фаз, которые чаще всего располагаются на границах зерен. С увеличением поверхностной энергии границы матрица — фаза и уменьшением размера частиц избыточной фазы вероятность образования микропор возрастает. Следует иметь ввиду, что микропоры могут «самозалечиваться» . 26

• Образование микропор по механизму стока вакансий наблюдается при радиационном облучении. Кроме рассмотренных, возможны и другие механизмы зарождения пор и трещин. • Способ образования зародышевых дефектов зависит от типа кристаллической решетки металла и характера микроструктуры. При этом для всех моделей общим принципиально важным условием их возникновения является необходимость перемещения дислокаций (или точечных дефектов), то есть осуществление предварительной пластической деформации, и наличие барьеров, препятствующих рассасыванию возникающих дислокационных скоплений. Дальнейшее поведение пор и трещин, определяющее многие механические характеристики материала, зависит от условий нагружения, под действием которых объемные дефекты развиваются. 27

• В случае хрупкого разрушения развитие дефекта завершается формированием магистральной трещины, которая распространяется со скоростью, близкой к скорости распространения звука в деформируемом теле. Размеры тела при этом мало изменяются. Видны характерные фасетки скола или отрыва. Для хрупкого разрушения на завершающей стадии, как правило, не требуется подвода энергии извне, а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся конструкции. • Вязкому разрушению предшествует пластическая деформация, в процессе которой происходит зарождение дислокационных трещин с последующим их ростом, затуплением и превращением в микропоры. Вязкий рост дислокационной трещины имеет замедленный характер. Возможно также возникновение микропор по одному из известных механизмов с последующим образованием микрополостей. Взрыв газопровода в Мангистауской области (центр. Азия) 22. 09. 2010 28

Аварии на атомных станциях связаны с развитием трещин Типичные повреждения соединений паропроводов из хромомолибденованадиевых сталей: а - трещина хладноломкости; б - локальное повреждение при повторном нагреве в околошовной зоне; в - трещина ползучести; г - трещина усталости 29

Теоретическая и техническая прочности. Теория Гриффитса • • • Физиками теоретиками было установлено, что величина сил притяжения и отталкивания между атомами зависит от межатомного расстояния. На рис. показана зависимость сил взаимодействия атомов от межатомного расстояния. Кривая 1 – сила притяжения между атомами, кривая 2 – сила отталкивания, кривая 3 – результирующая сила. Через а обозначено межатомное расстояние, половина длины волны аппроксимирующей синусоиды. При малых межатомных расстояниях наклон кривой силы отталкивания больше, чем кривой притяжения, поэтому наклон кривой суммарного взаимодействия положителен (для малых расстояний) и его значение становится равным нулю при достижении межатомного расстояния а, соответствующего условию равновесия двух атомов при действии силы сцепления. Притяжение атомов есть результат низкоэнергетического состояния валентных электронов, тогда как причиной отталкивания является перекрытие заполненных уровней, происходящее по мере уменьшения расстояния между соседними атомами. 30

• Отсюда можно получить выражение для теоретической прочности: • Если из рассчитываемого материала изготовить образец и разрушить его, то можно получить значение технической или экспериментальной прочности. • Сопоставление ее с теоретической прочностью показывает, что техническая прочность в десятки и даже сотни раз меньше теоретической. Объяснение столь резкой разницы впервые было дано в 1920 г. академиком А. Ф. Иоффе на следующем примере: им были испытаны два кристалла поваренной соли, второй из которых он выдерживал некоторое время в горячей воде. Если прочность первого кристалла равнялась нескольким мегапаскалям, то прочность второго была более высокой – около 2000 МПа, что лишь в два раза меньше теоретического значения прочности для поваренной соли. • Такое существенное различие в экспериментальных прочностях объясняется тем, что первый образец имел большое количество поверхностных дефектов (щербины, царапины, трещины), второй же образец, лишившись поверхностного слоя, освободился от них. Отсюда вывод: чем совершеннее структура материала, тем ближе его техническая прочность к теоретической. 31

Опыты Журкова и Александрова • Интенсивные исследования в области получения чистых металлов позволили еще в 20 30 х гг. академикам С. Н. Журкову и А. П. Александрову достигнуть чрезвычайно высокой технической прочности на кварцевых нитях ( =13∙ 103 МПа), а на стеклянных нитях техническая прочность равнялась =6∙ 103 МПа. • Позднее в Физико техническом институте им. А. Ф. Иоффе профессором А. В. Степановым были получены нитевидные монокристаллы ( «усы» ) некоторых металлов с прочностью около 10000 МПа. • Если учесть, что прочность конструкционных сталей колеблется в пределах 300. . . 800 МПа, то огромная разница в прочности налицо: исправление дефектной структуры кристаллов увеличивает их прочность на несколько порядков и приближает ее к теоретическому значению, которое можно приближенно считать равным: • 32

Немонотонное изменение деформации при увеличении плотности дислокаций 33

• Эксперименты по упрочнению кристаллов, а также многочисленные случаи преждевременного разрушения конструкций и сооружений при напряжениях, значительно меньших расчетных, показали, недостаточность развитых представлений о прочности как о постоянной материала. Такое значительное различие между теоретической и реальной прочностью материалов на современном уровне объясняется следующими факторами: значительными отклонениями от строгого, регулярного расположения атомов в кристаллической решетке материала, т. е. дефектностью структуры материала; технологическими нарушениями сплошности материала – трещинами. 34

Подход Гриффитса • Несоответствие между теоретической прочностью межатомных связей и экспериментальной прочностью натолкнуло английского ученого А. Гриффитса на мысль, что большое расхождение в прочностях объясняется наличием мелких трещин в однородном материале, которые приводят к большой концентрации напряжений в упругом состоянии. • Появившиеся в 1921 и 1924 гг. работы Гриффитса по теории трещин считаются основополагающими в области теоретических исследований механики разрушения. 35

• Рассмотрим бесконечную пластину единичной толщины с центральной поперечной трещиной длиной 2 l. Края трещины неподвижны (рис. а). • На рис. б приведена диаграмма «нагрузка удлинение» . Запасенная в пластине упругая энергия представлена площадью ОАВ. Увеличение длины трещины от до приведет к высвобождению упругой энергии, равной по величине площади ОАС. 36

• Если пластина нагружена до более высокого напряжения, то при увеличении длины трещины на величину освободится большая энергия. Гриффитс предположил, что трещина будет расти лишь в том случае, если освобождаемая при этом энергия достаточна для обеспечения всех затрат энергии, связанных с этим ростом. В противном случае необходимо увеличить напряжение. Треугольник ODE иллюстрирует энергию, выделяемую при распространении трещины. 37

4. 2. Критерий зарождения и роста трещин • Условие, необходимое для роста трещины, следующее: где упругая энергия; энергия, необходимая для роста трещины. • Основываясь на расчетах, Гриффитс получил выражение для в виде на единицу толщины пластины, где модуль упругости первого рода 38

• • Из анализа уравнений Гриффитcа видно, что трещина, достигнув критической длины при напряжении , становится неустойчивой. Вследствие этого возникает хрупкое разрушение, которое характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений • • Этот коэффициент имеет размерность Н/мм 3/2. Графическое изображение критического состояния представлено на рис. Из графика видно, что при напряжении меньше критического трещина развиваться не будет. При достижении критического напряжения трещина начинает развиваться неустойчиво. • Энергетический метод Гриффитса для идеально хрупких материалов позволяет отвлечься от детального анализа механизма разрыва межатомных связей в конце трещины и установить феноменологическую связь между внешними и внутренними силовыми факторами. 39

Силовой критерий разрушения – K 1 c • Гриффитс вывел свое уравнение для стекла – очень хрупкого материала. Он предполагал, что энергия, расходуемая на распространение трещины, определяется только поверхностной энергией. В вязких материалах, например, металлах, при вершине трещины образуются пластические деформации. Для образования новой зоны пластических деформаций при вершине трещины необходима большая энергия. • Модель развития трещины для пластического материала показана на рис. 40

Критерий Ирвина • Предполагается, что при нагружении пластины с надрезом в зоне надреза на расстоянии от края пластины появляется пластическая зона диаметром , в которой действует постоянное напряжение. По мере удаления от этой зоны напряжение падает. • Поскольку пластическая зона должна быть образована в процессе роста трещины, то энергию, необходимую для распространения трещины, считают равной энергии, необходимой для образования этой трещины. Это означает, что в металлах величина определяется главным образом энергией деформации в пластической зоне; поверхностная энергия в этом случае настолько мала, что ею пренебрегают. • Исходя из этих соображений, американский ученый Д. Ирвин, развивая идею Гриффитса, предложил величину назвать силой, необходимой для распространения трещины на 1 см. Если сила распространения трещины превысит критическое значение , то трещина будет распространяться самопроизвольно. Таким образом, критерием разрушения является 41

Коэффициент вязкости разрушения по Ирвину • Величина достигает своего критического значения при критическом значении , т. е. опасность разрушения определяется величиной . Если в это произведение включить , то получим ту же зависимость, которая в свое время была получена Гриффитсом: • Предельное значение коэффициента Ирвин обозначил через и назвал коэффициентом вязкости разрушения. • Величина играет в механике разрушения доминирующую роль, определяя вязкость разрушения материала при достижении критической интенсивности напряжения. Коэффициент имеет размерность Н/мм 3/2. 42

• Важность данной характеристики общепризнанна. Сложность этого мероприятия состоит в трудоемкости методов оценки , особенно для пластических материалов и сплавов, поскольку требуются испытания образцов чрезвычайно больших размеров. Так, для стали с пределом прочности 500. . . 700 МПа для создания плоской деформации при комнатной температуре необходимо проводить испытания на образцах толщиной 250 мм, высотой 610 мм, шириной 635 мм, для титановых сплавов соответственно мм. • В настоящее время используются два метода определения коэффициента вязкости разрушения : статический и циклический. • Статический метод определения заключается в том, чтобы установить величину нагрузки, вызывающей «лавинный» рост трещины. При этом каждому образцу и характеру приложения напряжений соответствует критический размер трещины, определяющий переход от медленного распространения к быстрому. • Циклический метод определения заключается в том, что при одном или нескольких уровнях напряжений испытывают на усталость цилиндрические или плоские образцы (гладкие или с надрезом) до разрушения. Затем на изломе определяют длину (при плоском образце со сквозной щелью) или глубину (при цилиндрическом образце) критической усталостной трещины. Метод был предложен профессором В. С. Ивановой. 43

Конструкционная прочность материалов В результате испытаний получают характеристики: • силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости); • деформационные (относительное удлинение, относительное сужение); • энергетические (ударная вязкость). Все они характеризуют общую прочность материала независимо от назначения, конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто только при учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и которые определяют ее конструкционную прочность. 44

5. 4. Долговечность Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации. На конструкционную прочность влияют следующие факторы: • конструкционные особенности детали (форма и размеры); • механизмы различных видов разрушения детали; • состояние материала в поверхностном слое детали; • процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе. Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность. 45

Надежность и долговечность • • Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению. • Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и коррозии. • Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть. • Долговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния. • Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями работы. 46

Критерии долговечности Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность. Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной прочности являются: • аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях; • аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура, • среда, порядок нагружения; • аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии. 47

5. 6. Усталостное разрушение. Характеристики механических свойств, определяемые при циклических испытаниях. Усталость • Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического (знакопеременного) нагружения. Разрушение металла под действием знакопеременных нагрузок называют усталостью. Усталостному разрушению предшествует процесс постепенного накопления повреждений и образование трещин в материале. • Особенности усталостного разрушения: – разрушение под действием знакопеременных нагрузок происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке (меньше σв и σт); – разрушение начинается с микродеформаций и локального зарождения трещины на поверхности или вблизи от нее в местах максимальной концентрации напряжений и протекает в несколько стадий; – образуется излом с характерным строением, отражающим последовательность процессов усталости. 48

49

50

• Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью. Предел выносливости – это максимальное напряжение, при котором образец не разрушается после бесконечного или заданного числа циклов нагружения. Под циклом напряжений понимают совокупность переменных значений напряжений за один период Т. 51

5. 5. Вязкое и хрупкое разрушение. • Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. • Разрушение включает три стадии: зарождение трещины; ее распространение через сечение; окончательное разрушение. • Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков – благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно. • Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика – близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю. 52

• Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хрупкое). • Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям. • Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом. • По излому можно определить характер разрушения. 53

• Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом. Хрупкому разрушению предшествует пластическая деформация до достижения трещины критического размера и затем хрупкое бездислокационное разрушение. Хрупкое разрушение – это самопроизвольный процесс. • 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. Изломы стали: а – вязкий; б – хрупкий, х400 54

Итак, повторим! • В широком смысле слова под нарушением прочности (разрушением) понимается достижение такого состояния, когда нарушается конструктивная функция тела и оно становится непригодным к эксплуатации. В прямом, но более узком смысле слова, под нарушением прочности (разрушением) понимается разделение тела на части. • Пластические материалы при низких температурах разрушается без заметных пластических деформаций. Такое разрушение называют хрупким в результате разрыва материала. • Трещины начинают развиваться задолго до полного разрушения при усталостном, пластическом и даже хрупком разрушении. Длительность процесса разрушения, т. е. роста трещины до полного разрушения, занимает значительную часть «жизни» детали, доходя до 90% и выше. 55

Итак, повторим! • Имеется много различных дислокационных механизмов образования зародышевых трещин. Зарождение трещины скола при негомогенной пластической деформации в металлах объясняется тем, что у конца задержанной полосы скольжения возникает большая концентрация сдвиговых напряжений, по величине превышающая силы межатомной связи материала. • Деформация ползучести, особенно при высоких температурах и низких напряжениях, связана не с движущимися дислокациями, а происходит вакансионным путем и является результатом направленного массопереноса. Диффузионные потоки вакансий вдоль границ зерен больше транскристаллшпных потоков. Это стимулирует зернограничную деформацию и образование трещин и микропор на стыке кристаллитов. Межзеренное проскальзывание вдоль границы со ступенькой способствует образованию микропор. • Предел выносливости – это максимальное напряжение, при котором образец не разрушается после бесконечного или заданного числа циклов нагружения. 56