3.1. Разрушение при однократных нагрузках (хрупкое и вязкое разрушение)

Разрушение металлов– это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Различают два вида разрушения:хрупкое(отрыв в результате нормальных растягивающих напряжений) ивязкое(срез под действием касательных напряжений). Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении.

В процессе деформации металла дислокации перемещаются и скапливаются у каких-то препятствий (границы зерен, различные включения и т. п.). При скоплении дислокаций происходит их слияние и образуется несплошность (трещина). Эта зародышевая трещина сама является препятствием для движения других дислокаций, и дальнейшее их скопление приводит к росту трещины.

Наличие в металле надрезов, внутренних дефектов, трещин, отверстий и других резких переходов от толстого к тонкому сечению приводит к неравномерному распределению напряжений. Это создает у основания надреза (трещины) пиковую концентрацию напряжений _к(см. рис. 12). Этот пик напряжений будет тем больше, чем меньше радиус в устье концентратора напряжения и чем больше глубина надреза (длина трещины). Величина пикового напряжения в устье трещины:

(6)

где l– длина трещины (дефекта или надреза);

r– радиус закругления в устье трещины.

Если теоретическая прочность металла на растяжение (отрыв) _отр= = 2100 кгс/мм²и допустим, что трещина очень острая (ее радиус равен 100 ангстремам) и она доросла до длины 1 мм, то в ее вершине напряжение_кбудет в сотни раз больше среднего напряжения_н.

Если среднее напряжение в металле _н= 10 кгс/мм², то напряжение, возникшее в устье трещины, будет значительно (в сотни раз) больше, чем теоретическая прочность металла. При этих условиях разрушение произойдет путем отрыва одних слоев атомов от других. Начавшийся лавинообразный процесс разрушения будет продолжаться до тех пор, пока трещина не разделит металл на части, так как увеличение длины трещины фактически требует все меньшего и меньшего напряжения. Для стали скорость роста трещины достигает 2500 м/с. Таков механизм хрупкого разрушения металлов.

Основным условием хрупкого разрушения является необходимость возникновения в устье трещины таких напряжений, которые будут больше теоретической прочности металла. Это возможно тогда, когда по мере своего развития трещина будет оставаться острой.

Для хрупкого разрушения типичны острая трещина, высокая скорость ее распространения и отсутствие пластической деформации при ее развитии (распространении). Излом металла – кристаллический, блестящий. Хрупкое разрушение идет по границам зерен, и его называют интеркристаллитным. На изломе хрупкого металла видны гладкие поверхности, так называемые фасетки зернограничного скола.

В случае, если после возникновения трещины будут увеличиваться ее длина и радиус в вершине (не только длина l, но и радиусr будет расти), разрушение будет называтьсявязким. Для вязкого разрушения характерны тупая раскрывающаяся трещина, низкая скорость ее распространения и значительная пластическая деформация металла при продвижении трещины.

При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика. Пластическая деформация вызывает самоупрочнение (наклеп) металла. Трещина при ее распространении должна преодолевать самоупрочненный участок металла и, следовательно, затрачивать на свое продвижение много поглощенной энергии (работы). Из сказанного можно заключить, что вязкое разрушение является более энергоемким по сравнению с хрупким.

При вязком разрушении трещина распространяется по телу зерна. Следовательно, такое разрушение транскристаллитное. На поверхности излома могут быть различимы мелкие уступы – волокна, образующиеся при пластической деформации зерен в процессе их разрушения. Вязкий излом волокнистый, матовый.

Многие металлы, имеющие ОЦК- или ГПУ- кристаллические решетки (Fe,W,Mo,Znи др.), в зависимости от ряда факторов (температура, условия нагружения и др.) могут разрушаться как хрупко, так и вязко. Понижение температуры определяет переход от вязкого разрушения к хрупкому, что называется хладноломкостью и может определяться падением значения ударной вязкости (см. рис. 16).

Ударная вязкость является характеристикой затраченной работы на за-рождение трещины (А_З) и работы на распространение вязкой трещины (А_Р): А_Р= А_З+ А_Р. Хрупкое или вязкое разрушение в первую очередь определяется величиной работы на распространение трещины; чем больше А_Р, тем меньше вероятность хрупкого разрушения и, следовательно, выше надежность данного металла.

Величина сопротивления металла отрыву – S_от(при растяжении) практически не зависит от внешних условий, что может быть представлено на схеме (см. рис. 16) горизонтальной линией. Сопротивление сдвигу –_тснижается с повышением температуры и возрастает с увеличением скорости нагружения (деформации), поэтому вязкие при сравнительно высокой температуре металлы при понижении температуры разрушаются хрупко. Увеличение скорости деформации также способствует хрупкому разрушению. Для чистых металлов наблюдается резкий переход от вязкого разрушения к хрупкому –t_ПХ. У сплавов существует «верхний» (t_В) и «нижний» (t_Н) порог хладноломкости (см. рис. 16).

Таким образом, можно выделить пять основных факторов, определяющих переход от вязкого разрушения к хрупкому:

понижение температуры (как и укрупнение зерна) резко уменьшает сопротивление металла ударным нагрузкам и способствует хрупкому раз-рушению;

повышение скорости нагружения (деформации) увеличивает скорость роста трещины;

наличие концентраторов напряжения способствует хрупкому разрушению металла;

с увеличением остроты и глубины надреза склонность к хрупкому разрушению возрастает;

чем больше размеры изделия, тем больше вероятность хрупкого разрушения (масштабный фактор).