Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Экспертные исследования причин разрушения материалов - файл Лк04.doc


Лекции - Экспертные исследования причин разрушения материалов
скачать (15774.4 kb.)

Доступные файлы (12):

Лк01 Введение.doc3600kb.06.09.2010 22:33скачать
Лк02.doc161kb.13.09.2009 22:48скачать
Лк03.doc1221kb.13.09.2009 23:00скачать
Лк04.doc3086kb.30.10.2008 22:45скачать
Лк05.doc1825kb.30.10.2008 22:48скачать
Лк06.doc1317kb.29.09.2008 22:26скачать
Лк07.doc491kb.29.07.2006 09:07скачать
Лк08.doc1206kb.07.10.2009 21:50скачать
Лк09.doc537kb.14.09.2009 00:08скачать
Лк10.doc536kb.14.09.2009 00:09скачать
Лк11.doc2902kb.14.09.2009 00:16скачать
Лк12.doc292kb.14.09.2009 00:14скачать

Лк04.doc

4-я лекция

Тема: Хрупкое разрушение

Краткое содержание: Критерий распространения трещин в кристаллических телах. Механизмы зарождения хрупкого разрушения: модель Стро–Мотта. Механизм Коттрелла. Образование трещин при двойниковании. Определение склонности к хрупкому разрушению.
4.1. Критерий распространения трещин в кристаллических телах
Большинство экспериментов, подтверждающих теорию Гриффитса, проведено на аморфных материалах при невысоких температурах, что обеспечивало достаточно полное торможение пластической деформации.

Однако при переходе к металлам формула Гриффитса давала результаты, которые не соответствовали реальности. Возникло сомнение в возможности использования этой теории применительно к металлическим материалам, хотя их поведение при хрупком разрушении качественно не различается от поведения стекла.

Но количественно – либо получались нереально заниженные значения для определённых размеров трещин, либо – для известного напряжения – размеры трещин, значительно превышающие размеры опытных образцов.

Когда появилась возможность измерять очень высокие скорости движения трещин (например, методом скоростной киносъемки), были получены впечатляющие количественные результаты. Известный советский специалист в области разрушения В.М. Финкель приводит такие цифры. В хрупком металле трещина на докритической стадии процесса разрушения движется со скоростью порядка 1 мм/ч. После достижения критического размера за одну тысячную долю секунды, скорость распространения трещины увеличивается до значений порядка 10000 км/ч. Следовательно, ускорение на этапе разгона трещины – порядка 108 м/с2. Если бы пилотируемая космическая ракета развила такое ускорение, космонавт испытал бы десятимиллионную перенагрузку. Даже беспилотным кораблям далеко до таких скоростей. Отметим так же, что подобные события значительно чаще случаются в холодное время года.

Первым нашёл причину этого несоответствия венгерский физик Орован, один из основоположников теории дислокаций. Он доказал, что упругая энергия, которая высвобождается при росте трещины, расходуется не только образование новых поверхностей, но и пластическую деформацию.

Так как, около вершины трещины образуется большое напряжение, некоторый объём металла всегда будет пластически деформирован. При распространении трещины по кристаллу в зону высоких напряжений у её вершины будут возникать всё новые источники дислокаций, которые трещина заставит работать, что приведёт к увеличению плотности дислокаций. Когда трещина разорвёт металл, поверхность излома будет пластически деформирована. При хрупком разрушении металлов пластически деформируемый слой прилипающий к поверхности излома, существует всегда. Речь может идти не о его наличии или отсутствии, а только о его толщине. В зависимости от условий работы металлов (t. v – приложение нагрузки, габаритов изделия, и.т.д.) его толщина может меняться от долей микрометра до многих десятков микрометров.

Поскольку на пластическую деформацию затрачивается определённая работа, толщина слоя будет влиять на общие энергозатраты, связанные с разрушением. Чем быстрее бежит трещина, тем тоньше деформированный слой и тем в меньшей степени он деформирован, т.к. требуется некоторое время на приведение в действие дислокационных источников, они обладают определённой энергией.

Орован к величине формулы Гриффитса добавил ещё одно слагаемое - энергию которая затрачивается на пластическую деформацию (эффективная поверхностная энергия) слоя материала, прилегающего к новой поверхности



т.к. на 2-3 порядка больше , то первым слагаемым можно пренебречь и формулу Гриффитса-Орована записывают в виде:



Величина не остаётся постоянной в течении всего процесса роста трещины. По мере разгона трещины она уменьшается. Однако даже в самых неблагоприятных условиях она остаётся выше . При скорости 24 км/с = (теоретически), но трещина с такой скоростью двигаться не может. Её предельная теоретическая скорость ½ V звука в металле, т.е. 2,5 – 3 км/с.
^ 4.2. Механизмы зарождения хрупкого разрушения

Имеется много экспериментальных данных, подтверждающих, что хрупкому разрушению в кристаллических телах предшествует пластическая деформация, несмотря на это, что путь движения дислокаций непосредственно перед распространяющейся трещиной может быть небольшим.

Считается, что взаимодействие дислокаций ответственно за образование зародышей трещин. На этом основании был предложен ряд возможных механизмов, некоторые из которых нашли экспериментальное подтверждение.

Модель Стро-Мотта. Согласно этой модели образуется скопление скользящих дислокаций перед различного рода препятствиями (границы зёрен, субзёрен, включения и.т.д.), в результате чего возникает сильная локальная концентрация напряжений. В вершине дислокационного скопления может на несколько порядков превышать приложенное напряжение, в результате чего возможно слияние лидирующей дислокации скопления со следующей, т.е. образование зародышевой трещины. После обледенения двух первых дислокаций трещина начинает увеличиваться в размерах, т.к. давление слияния увеличивается. Число дислокаций в скоплении порядка ста. Такое количество дислокаций при выходе на поверхность кристалла образует ступеньку величиной порядка сотен ангстрем, что хорошо совпадает с экспериментальным результатом определения величины ступенек скольжения на ряде металлов.



Рис. 4.1. Образование трещины вследствие плоского скопления дислокаций




Рис. 4.2. Трещина, образованная

скоплением дислокаций у границ зерна



Рис. 4.3. Схема образования трещины:

1 – скопление дислокаций;

2 – область образования трещины


^ 4.3. Механизм Коттрелла

Разработан применительно к металлам с ОЦК решеткой, склонным к хрупкости при низких температурах, сходен с моделью Стро-Мотта. Однако в отличии от этой модели, препятствием, запирающим полосу скольжения по Коттреллу, является дислокация, образованная при пересечении дислокаций в плоскостях скольжения.

Рассмотрим взаимодействие двух пересекающихся плоскостей скоплений дислокаций, каждое из которых служит препятствием для другого.

Ведущие дислокации в этих двух скоплениях могут взаимодействовать друг с другом образуя дислокацию встречи, которая возникает на линии пересечения двух плоскостей скольжения одной системы и как бы запирает обе пересекающие плоскости.



Рис. 4.4. Слияние дислокаций, находящихся в двух плоскостях скольжения, приводящее к образованию микротрещины в той же плоскости скола



Рис. 4.5. Зарождение трещины в месте пересечения полос скольжения

в кристалле MgO


Образовавшая дислокация представляет собой прочный барьер, тормозящий скольжение в пересекающихся плоскостях, что может привести к возникновения в этих плоскостях достаточно мощных дислокационных скоплений, способных образовать трещину.

Возникновение микротрещин в соответствии с механизмом Коттрелла наблюдали экспериментально в кристаллах окиси магния.

В соответствии с моделью Коттрелла образование микротрещин происходит в плоскости перпендикулярной оси растяжения. Это подтверждается экспериментальными данными. 85% микротрещин отклоняются не более чем на 15% от нормали к оси растяжения.


Рис. 4.6. Ориентация микротрещин на поверхности разрывных образцов

крупнозернистого феррита после растяжения (8% при -140С)

^ 4.4. Распространение трещин при хрупком разрушении

Практически в любом материале, как бы он ни был пластичен при статических испытаниях, может произойти хрупкое разрушение, если в нём при нагружении одновременно образуется множество активных дефектов – несовершенство кристаллической решётки (дислокаций).

Зарождение микротрещины по одному из механизмов – это лишь начало процесса разрушения. Для завершения его необходимо распространение трещины, которое вызовет полное разделение её поверхности по всему сечению нагружаемого образца. Таким образом, является заключительной стадией разрушения.

Трещина становится нестабильной и начинает распространяться, когда её длина превышает критическое значение, определяемое из уравнения Гриффитса. Скорость распространения трещины - ,

где С0 – скорость распространения упругих продольных волн в материале.

При такой скорости развития трещины, атомные связи у её вершины достигают значения за время одного периода колебаний атомов.

Таблица 1

Примеры скоростей трещин

Материал


Скорость

распространения

трещины, см/сек

Метод измерения

скорости

Сталь


1,0 – 1,8 · 105

Для измерения Vтр

в непрозрачных материалах используют ультразвуковой метод, в прозрачных – киносъемки.

Стекло


1,5 – 2,0 · 105

Целлюлоза

0,3 – 0,4 · 105

Силиконовая резина

0,007 – 0,008 · 105


В.М. Финкель определил методом ускоренной киносъёмки (т.к. применяют ультразвуковой метод), что в хрупком металле трещина на докритической стадии процесса разрушения движется со скоростью ~ 1 мм/час, а после достижения критического размера 10000 км/час.

Пример:

1. Танкер разломался пополам в тихую погоду. Трещина началась у острого угла люка, моментально проскочила через палубу по обоим бортам до самого киля.

2. Довольно страшную картину показывают случаи хрупкого разрушения магистральных газопроводов. Трещина мчится вдоль трубопровода со скоростью реактивного самолёта, пробегая без остановки десятки километров.

Такие разрушения приносят колоссальный ущерб, и часто приводят к человеческим жертвам.

Хрупкие изломы, как правило, возникают от действия нормальных напряжений, чем определяется их макро и микроориентировка, однако известны случаи хрупкого разрушения и от касательных напряжений, что чаще наблюдается у литых металлов и сплавов.

Во многих кристаллических телах при низких температурах нарушение сплошности происходит в форме хрупкого разрушения или скола. Более склонны к хрупкости кристаллы с ионной и ковалентной связью.

Скол, как вид разрушения представляет собой расщепление по определенным кристаллографическим плоскостям, которое происходит в металлах, обнаруживающих слабую способность к поперечному скольжению или её полное отсутствие.

Разрушение в виде истинного скола наблюдается в металлах с ОЦК решеткой, в частности в Fe, Mo, Cr, V, W, и Ta, где его появление связанно с наличием внедрённых атомов. В металлах с ГЦК не обнаружено. В металлах с ГПУ решёткой (Zn, Mg, Ti, Be) выявлено при отрицательных температурах. Металлы с другими типами кристаллической решётки часто являются хрупкими – Bi, Sb (ромбоэдрическая). Невозможно установить единый критерий, позволяющий определить плоскость разрушения, например, как плоскость с наиболее плотной упаковкой или с наименьшей поверхностной энергией. Однако металлы с подобными кристаллическими решётками ведут себя одинаково.

^

Т а б л и ц а 2


Типичные плоскости скола металлов

Металл

Кристалл.

решётка

Плоскость разрушения

Металл

Кристалл.

решётка

Плоскость разрушения

Fe

ОЦК


001

Zn

ГПУ

0001

Mo

ОЦК

001

Be

ГПУ

0001

V

ОЦК

110

Sb

Ромбоэдрич…

111




Рис. 4.7. Ручьистый излом

Развитие хрупких трещин, происходит с большой скоростью, должно было бы привести к образованию двух идеально плоских поверхностей (плоскостей слома). В некоторых случаях образуются зеркальные поверхности, однако большей частью на поверхности излома отчётливо выявляются неровности – так называемый, ручьистый (речной) узор. Эти неровности могут образоваться по следующим причинам:

1. Если зародышевая трещина не находится в плоскости скола, то она распространяется как бы ступеньками, т.е. разбивается на ряд участков, с тем чтобы часть из них располагалась в плоскостях с наименьшей энергией.

2. Если трещина встречает на своём пути значительное число винтовых дислокаций, то соответственно возрастает число струпенек скола.

Существует связь между рельефом «ручьистого узора» и скоростью распространения трещины – узор получается интенсивнее, когда трещина движется с меньшей скоростью.




Рис. 4.8. Поверхность разрушения

монокристалла цинка с «ручьистым узором», полученная в результате

разрушения в жидком азоте, 100Х



Рис. 4.9. Линии Вальнера

(между белыми стрелками)

на поверхности разрушения

алюминиевого сплава


На поверхности очень хрупких изломов могут наблюдаться линии Вальнера, представляющие собой системы пересекающихся исправленных параллельных ступенек.

Линии Вальнера образуются вследствие взаимодействия фронта трещины и фронта упругой волны, отражённого от какого либо дефекта или препятствия для развития трещины. Они наблюдается лишь в хрупких неметаллических материалах, в металлических – на поверхностях хрупких включений.

При слиянии магистральной (основной) трещины с дополнительными трещинами по плоскостям двойникования в изломе образуются «язычки», при слиянии по линиям скольжения «занозы», представляющие собой очень тонкие отщепления металла, которые имеют чётко выраженное кристаллографическое направление.

Межзёренное разрушение является малопластичным. Наиболее очевидный признак межзёренного разрушения заключается в наличии рельефа, соответствующего огранке зёрен.

Хрупкое межзёренное разрушение гладких образцов при статистическом нагружении при 20ºС наблюдается, как правило, вследствие охрупчивания границ зёрен частицами хрупкой фазы, примесями.




Рис. 4.10. Скол в крупной частице второй фазы

на поверхности разрушения стали 2400Х



Рис. 4.11. Микрочастицы хрупкой фазы,

расположенные по границам зерен, 2400Х


Причина хрупких эксплуатационных разрушений, так же как и других видов разрушения, в большинстве случаев носит комплексный характер: хрупкое состояние материала (исходное или возникшее при определённых условиях работы), наличие хрупкого слоя на поверхности, неблагоприятное конструктивное выполнение, наличие внутренних остаточных напряжений, условия эксплуатации (низкие температуры, ударные нагрузки и т.п.)

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

 
ВНУТРИЗЕРЕННОЕ МЕЖЗЁРЕННОЕ

 
^

ИЗЛОМ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЗЕРНИСТЫЙ


  

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОГРАНКА ЗЁРЕН
ФАСЕТКИ ВАЛЬНЕРА

4.5. Определение склонности к хрупкому разрушению

Многие металлы (Fe, Mo, W, Zn и др.), имеющие ОЦК и ГПУ кристаллические решётки, в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости.

Температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, называется критическая температура хрупкости, или порог хладноломкости (). Чем ниже порог хладноломкости, тем больше запас пластичности при прочих равных условиях. Эта температура чувствительна к ряду параметров, характеризующих металл, наиболее важными из которых является степень чистоты, величина зерна, вид термообработки, процесс выплавки. Увеличивает склонность к хрупкому разрушению повышение скорости деформации, наличие концентраторов напряжений, большие размеры изделия.

При испытании поликристаллических образцов из конкретных металлов и сплавов, чёткая температурная граница перехода не выявляется, а всегда имеется определённый температурный интервал, в котором характер разрушения постепенно изменяется и наблюдается заметный разброс значений измеряемой механической характеристики. В этой температурной области постепенно изменяется и характер излома.

Существует несколько критериев для практического определения температуры хладноломкости, характеризующей склонность к хрупкому разрушению:

1. По величине ударной вязкости.

2. По виду излома.

3. По площади излома, занятой кристаллическими участками.
Например, температура перехода в хрупкое состояние наиболее распространенной марки ст3 (из неё изготавливаются строительные и мостовые фермы и др. сооружения эксплуатируемые на улице в разных климатических условиях).



Рис. 4.12. Переход от вязкого разрушения к хрупкому

Таблица 3


Температура перехода стали Ст3 в хрупкое состояние

Сталь

Температура перехода, ºС

Начало

Конец

Кипящая горячекатаная

+100

0

Кипящая нормализованная

+40

-20

Спокойная горячекатаная

+20

-40

Спокойная нормализованная

0

-60


Начало перехода- излом полностью вязкий при температуре выше указанной.

Конец перехода – излом полностью хрупкий при температуре ниже указанной.

На величину ударной вязкости и температуру перехода влияет режим термической обработки и, например, толщина проката.

Таблица 4


Величина ударной вязкости Ст3 в зависимости от толщины проката

Толщина листов, мм

Температура испытаний ,ºС

+20ºС

-20ºС

3 - 4,9

108

49

26 - 40

88

0


Поскольку радиус надреза также влияет на склонность материалов к хрупкому разрушению, изменяя жесткость напряженного состояния, в ряде случаев целесообразно использовать безразмерный критерий, позволяющий оценить чувствительность металла к одновременному снижению температуры и уменьшению радиуса надреза:
,
где ТК – критическая температура хладноломкости при стандартном надрезе

r = 1мм, определенная одним из способов;

– критическая температура хладноломкости при остром надрезе r = 0,1мм.
Чем больше h, тем выше склонность материала к хрупкому напряжению.

При испытании высокопрочным материалов получение острого надреза связано со значительными трудностями. Поэтому роль надреза играет заранее созданная трещина. Хрупкое разрушение в этом случае связано с распространением трещины, глубину которой регулируют и измеряют специальными методами.


Скачать файл (15774.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации