Влияние различных факторов на характер вязкого разрушения

Результаты многочисленных опытов свидетельствуют о том, что для металлов и сплавов уменьшение зерна d приводит к увеличению пре­дела текучести в соответствии с зависимостью Холла—Петча и одновременно к некоторому увеличению сужения поперечного сечения. Разрушающее напряжение также увеличивается пропорционально (рис 230). Для размеров зерна, меньших, чем d₁, (правая часть кривой на рис. 230), значение разрушающего напряжения вы­ше величины предела текучести; в этой области для достижения разрушающего напряжения необходимо преодолеть упрочнение. В данном случае достигаются значительные удлинения до 50%- Для размеров зерна, больших, чем d₁, (левая часть кривой на рис. 230), разрушающее напряжение совпадает с пределом текучести или ниже его, свидетельствуя о хрупком разрушении. Таким образом, увели­чение размера зерна действует подобно понижению температуры, приводя к переходу от вязкого разрушения к хрупкому. В на­стоящее время накоплено доста­точное количество факторов, сви­детельствующих о том, что увели­чение размеров зерен приводит к снижению пластичности и охрупчиванию металлов.

Литые и обработанные давле­нием металлы обычно проявляют анизотропию свойств особенно таких показателей пластичности, как относительное удлинение, от­носительное сужение, ударная вязкость. Обычно литой металл менее пластичен, чем обработан­ный давлением, причем пластич­ность литых металлов вдоль на­правления столбчатых кристаллов больше, чем поперек этого направления. Анизотропия свойств частично сохраняется и после пласти­ческой деформации, причем образцы, вырезанные в направлении наибольшей деформации, более пластичны, чем в других направле­ниях. Причинами анизотропии свойств являются:

1. сохранение следов слоистой или полосчатой неоднородности химического состава литого металла (ликвации и сегрегации при­месей);

2. направленное расположение включений в металле, опреде­ляемое направлением наибольшей деформации;

3. возникновение преимущественной кристаллографической ори­ентировки кристаллов (текстуры).

Рис. 230. Изменение разрушающего напряжения (сплошная линия) и переход от вязкого разрушения к хрупкому при изменении размера зерна низкоуглеродистой стали

В металлах, имеющих о. ц. к. решетку, анизотропия свойств усиливается при наличии примесей внедрения. В однофазных чистых металлах анизотропия свойств определяется в основном текстурой. После отжига, приводящего к исчезновению текстуры, анизотропия механических свойств исчезает. Легирование, приводящее к образованию твердого раствора или многофазного сплава, хотя и увели­чивает предел прочности и иногда величину равномерного удлине­ния, практически всегда уменьшает сужение поперечного сечения, за исключением тех случаев, когда введение легирующего элемента уменьшает охрупчивающее влияние примеси, уже присутствующей в сплаве.

В результате повышения температуры увеличивается сужение поперечного сечения при испытаниях на растяжение. Иногда поли­кристаллический образец может растягиваться до образования то­чечного сечения. Кроме увеличения числа систем скольжения и до­полнительного развития диффузионных процессов, причиной повы­шенного относительного сужения при растяжении являются про­цессы динамического разупрочнения, что приводит к уменьшению вероятности разрушения.

Изменение скорости деформации при растяжении от 10^-3 до 10² с^-1, как правило, не оказывает заметного влияния на характер вязкого разрушения. Вне отмеченных диапазонов деформирования при скоростях ползучести и динамическом деформи­ровании проявляются специфические эффекты, изме­няющие характер вязкого разрушения и довольно часто приводящие к хрупкому разрушению.

Путь разрушения при длительном воздействии высокой темпе­ратуры и нагрузок (испытания на ползучесть) проходит вдоль гра­ниц зерен, а не по телу кристаллитов. Такое разрушение вызвано не наличием примесей или пленок хрупких соединений на границах зе­рен (так как оно характерно не только для технических сплавов, но и для чистых металлов), а процессом, который характерен только для малых скоростей деформации при высоких температурах (см. гл. XVI), т.е. скольжением по границам зерен. Как было отмечено (см, гл. V), зернограничная деформация не может быть значительной, в связи с чем наблюдаются незначительные до разрушения средние деформации, свидетельствующие о хрупком разрушении.

МАСШТАБНЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ ТЕЧЕНИИ И РАЗРУШЕНИИ

Масштабный эффект заключается в изменении наблюдаемого физического поведения геометрически подобных мо­делей и конструкций с изменением абсолютного масштаба (мас­штабного фактора). При этом геометрическое подобие обоснованно рассматривается как макроскопическое подобие, для которого такие размеры, как диаметр зерна, расстояние между частицами и их раз­мер, и другие микропараметры не учитывают. В этом и заключает­ся сущность масштабного моделирования, так как в противном слу­чае необходимо было бы всегда пользоваться результатами только натурных испытаний. Однако, используя моделирование, следует помнить, что масштабные эффекты при пластическом течении и раз­рушении проявляются в виде микропроцессов на макроуровне. На­пример, радиус закругления острой трещины зависит от микрострук­турных факторов. В связи с этим отношения радиуса закругления трещины к ее длине и длины трещины к размеру образца стано­вятся геометрически неподобными величинами.

Масштабный фактор проявляется в увеличении хрупкости и сни­жении механических характеристик металла с увеличением разме­ров изделий. Статистическая теория дефектов объясняет это влияние тем, что вероятность существования опасного дефекта, облегчающего образование и развитие трещин, уменьшается при уменьшении раз­меров образцов. Этот вывод статистической теории подтверждается прямым экспериментом. Известно, например, что тонкие стеклянные волокна диаметром 5 мкм обладают в 50 раз большей прочностью, чем массивные образцы, изготовленные из того же стекла.

Проявление масштабного фактора тесно связано с влиянием состояния поверхности. В частности, длительное травление стекла плавиковой кислотой, удаляющее наружный слой и создающее идеально ровную поверхность, приводит к резкому снижению веро­ятности существования на поверхности опасных дефектов, и соглас­но статистической теории дефектов должно наблюдаться повышение прочности массивных образцов до прочности тонких стеклянных во­локон. Эксперимент полностью подтверждает это предположение.

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ И СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРО­ЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ

Состояние поверхности — один из важней­ших факторов, влияющих на результаты механических испытаний образцов в лабораторных условиях. Наличие небольших выступов и впадин на плохо обработанной поверхности приводит к повыше­нию концентрации напряжений. Поверхностные неровности могут играть роль хрупких трещин и значительно снижать определяемые испытаниями прочностные характеристики металла. Например, хруп­кие в обычных условиях кристаллы каменной соли становятся пластичными, если при испытании их погрузить в теплую воду, раст­воряющую дефектный поверхностный слой (эффект Иоффе). Тща­тельная полировка поверхности металлических образцов приводит к увеличению измеряемых при растяжении характеристик прочности и пластичности.

Разрушающее при растяжении образца с неровной поверхностью напряжение повышается, если в поверхностном его слое создать сжи­мающие продольные напряжения, препятствующие развитию тре­щины. Этот прием используют для увеличения срока службы изде­лий при специальной поверхностной обработке деталей: дробеструй­ной обработке, обкатке роликами, некоторых операций термической и химико-термической обработки поверхности.

Внешняя среда может воздействовать на механические характе­ристики материала необратимо или обратимо. В последнем случае механические' характеристики материала полностью восстанавлива­ются при удалении действующего на его поверхность вещества. Кор­розионное растрескивание под напряжением связано с необратимым воздействием химически активной среды и может вызвать переход от пластичного разрушения к хрупкому даже у материалов и спла­вов с г. ц. к. решеткой, которые нельзя перевести в хрупкое состоя­ние другими способами.

Не растворяющие жидкие среды, содержащие поверхностно ак­тивные вещества, могут оказывать сильное влияние на механические характеристики металлов. В этом случае вследствие адсорбции ак­тивного вещества поверхностями трещин изменяется величина по­верхностной энергии. Явление облегчения деформации и снижение деформирующего усилия под влиянием поверхностно активных ве­ществ известно как эффект Ребиндера. Если адсорбированное ве­щество уменьшает эффективную поверхностную энергию, то склон­ность к хрупкому разрушению возрастает, а значение разрушающего напряжения и напряжения течения снижается в несколько раз.