Разрушение развивается

4. Разрушение металлов

Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит или в результате развития нескольких трещин или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой происходит полное разрушение.

Разрушение может быть хрупким (в металлах — квазихрупким) и (пли) вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение4 микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед всевозможными включениями и т. д.). При большой плотности дислокаций происходит их слияние с образованием микротрещины. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012—1013 см"2, а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G. При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина (при заданном напряжении) превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую (по радиусу у вершины) с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи. При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма тмин,! Для <чт;!ли скорость роста трещины достигает 2500 м/с.

Если металл обладает низкой способностью к пластической деформации (хрупкое состояние), он склонен к внезапным хрупким разрушениям (разрушениеотрывом); если же — значительной способностью к пластическим деформациям (вязкое состояние), то может наступить вязкое разрушение (разрушение сдвигом — срезом, рис. 7.3).

ч ----- Понер paapyt 850 800 750 700 650 1 л •" V хностное усталостное Подповерхностное устал иемие разрушение

1 (оверхностное усталостное Подповерхностное усталостное разрушение разрушение

неречное сечение детали ослабляется и в некоторый момент происходит мгновенное разрушение.

Разрушение материала, вызванное циклическим действием напряжений, называется усталостью.

Типичный усталостный излом вала (рис. 0.3) имеет две ярко выраженные зоны: зону усталостного разрушения 1 с гладкой притертой поверхностью там, где усталостная трещина постепенно проникала в глубь сечения, и зону статического разрушения 2 крупнокристаллического строения, по которому произошло хрупкое разрушение вследствие большого ослабления сечения. Около 80% всех случаев поломок деталей являются усталост-

Рис. 0.3. Усталостное разрушение вала

Наблюдается еще один вид коррозионного разрушения — коррозионное растрескивание, возникающее под совместным действием растягивающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транскристаллит-ное. Снижение уровня остаточных сварочных напряжений — одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного разрушения.

Хрупкость материала приводит к вариации или разбросу проч-ностей по элементам объема или по образцам из такого материала вследствие случайных локальных возмущений напряжений и случайного распределения неоднородностей в материале. Следствием статистической природы хрупкой прочности является существенное влияние степени соединения или дисперсии хрупких составляющих на прочность композитного сплава. Простой пример подтверждает эту точку зрения. Рассмотрим, как показано на рис. 25, прочность ряда, состоящего из 10 кубиков хрупкого материала, нагруженных параллельно. Прочности кубиков изменяются от 1 до 10 фунт с приращением по 1 фунт слева направо. Если кубики прочно соединены друг с другом, т.е. разрушение развивается свободно от кубика к кубику (рис. 25, а), то разрушающая нагрузка всей системы составляет 10 фунт, поскольку разрушение системы произойдет после разрушения самого слабого кубика. Однако если кубики разделены друг от друга очень тонкими сопротивляющимися трещине полосками (рис. 25, б), то они будут разрушаться один за другим независимо до тех пор, пока нагрузка

В настоящей главе рассматриваются микромеханические аспекты процесса разрушения и обсуждается их влияние на такие макроскопические свойства, как прочность, пластичность, вязкость разрушения. Удобно разделить возможные процессы разрушения на два типа в зависимости от того, определяется ли разрушение достижением условия неустойчивости материала типа условия предельных деформаций или напряжений или разрушение развивается под воздействием некоторых дискретных инициаторов разрушения, например разорванных волокон или надрезов, от которых может начаться рост вызывающей разрушение трещины.

При отсутствии перегрева в расчетных температурных условиях пароперегревательные трубы работают также в области ползучести и при длительной эксплуатации (свыше 105 ч) происходит их разрушение в результате отработки ресурса. Темпе-ратурно-силовые условия эксплуатации пароперегревателей соответствуют условиям области б карты механизмов ползучести. Разрушение развивается по механизму порообразования. Однако

увеличения скорости деформации достигается при степени деформации 10—20%. При этом резко снижается пластичность. Вязкие материалы, которые с понижением температуры становятся хрупкими, ведут себя так же при переходе от статической нагрузки к импульсной. Очевидно, материалы, хрупкие при статических нагрузках, остаются хрупкими и при импульсных нагрузках. Хрупкое разрушение развивается с очень большой скоростью, а вязкое — с очень маленькой. Д. С. Райнхарт и другие считают, что вязкое разрушение происходит под действием касательных" напряжений, а хрупкое — под действием нормальных.

Склонность к КПН в значительной степени зависит от чистоты материала, размера зерна [29], текстуры. Обычно в высотном направлении склонность к КПН максимальна. Анизотропия коррозионной стойкости может быть настолько значительна, что разрушение развивается по мало нагруженным поверхностям. Так, в стали Н17К12М5Т в состоянии после горячей прокатки и старения разрушение на стадии медленного развития трещины распространялось практически вдоль оси приложения растягивающей нагрузки, а однократный долом проходил перпендикулярно ей (рис. 47). В закаленных образцах из той же стали в обеих зонах излома разрушение происходило нормально.

В некоторых материалах при одновременном длительном действии статического напряжения и среды разрушение развивается вдоль определенных кристаллографических плоскостей что наблюдалось, например, в а-латуни и нержавеющих сталях lldbj. Имеются предположения, что внутризеренное разрушение при КПН характерно для материалов с низкой энергией упаковки. J

При плоском соударении пластин откольное разрушение развивается под действием растягивающих напряжений в области взаимодействия встречных волн разгрузки. Диаграмма (х, t) и (аг, и) волновых процессов для материала, кривая сжатия в плоской волне которого оу(ег) может быть аппроксимирована билинейной зависимостью с угловыми коэффициентами Кг= = <9ог/<3ег, равными К\ = ра\ и Kv = pD2 соответственно для области упругого и упруго-пластического сжатия, представлены на рис. 107.

10.Если в результате выкрашивания поверхностей цементованных роликов образуются еле заметные на-глаз поры, обычно возникающие группами (пятна „сыпи"), то такое разрушение прогрессирует очень медленно. В некоторых случаях разрушение развивается медленно и после образования небольших раковин. Так например, в одном опыте автора, цементованная поверхность с уже образовавшимися небольшими раковинами работала (при напряжении т = 32,6 кг/-иж9) ещё в течение 25 млн. циклов напряжений (раковины образовались после 50 млн. циклов),

Как правило, межкристаллитное разрушение развивается при повышенных температурах, большом числе циклов и низкой частоте нагружения, а транскристаллитное— при пониженных температурах и малом числе циклов нагружения.

При ?Х - 0 разрушение развивается в плоскости YZ*