Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по механике разрушения - файл 1.doc


Лекции по механике разрушения
скачать (1627.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1628kb.15.11.2011 23:05скачать

содержание

1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9
^

Типы микромеханизмов


Раскол (тип 1). При достаточно низкой температуре пластическое те­чение снижается до минимума и разрушение происходит в результате быстрого развития врожденного (inherent) дефекта размером 2а. Раз­рушающее напряжение при этом

,

где Gс – вязкость разрушения, 2а – размер дефекта или наиболее длин­ной трещины.

Раскол (тип 2). Если ни один из дефектов не достигает критического размера, то в результате микропластической деформации (скольжения или двойникования) могут образоваться мелкие трещины, и разрушаю­щее напряжение будет равно

,

где d – размер зерна. Отметим, что здесь f > y (y – напряжение мик­ротечения) и деформация при разрушении f < 1 %.

Раскол (тип 3). С повышением температуры и снижением напряжения текучести могут развиваться значительные пластическое деформации (до 1—10 %), прежде чем произойдет внезапное катастрофическое разруше­ние в результате раскола. Пластическая деформация в этом случае вы­зывает возрастание Gс , а следовательно и f , в результате чего трещина притупляется, что может привести к стабильному росту трещины без катастрофического внезапного разрушения.

Весьма незначительные изменения текстуры, содержания примесей и температуры могут способствовать развитию либо внутри-, либо межзеренного разрушения; в дальнейшем будем называть первый случай расколом (типы 1, 2, 3), а второй – хрупким межзеренным разруше­нием (BIF, Brittle intergranular fracture, 1, 2, 3).

^ Вязкое разрушение. Вязкое разрушение начинается с зарождения и быстрого роста внутризеренных пор. Отсюда следует, что оно опреде­ляется размером дефектов (поры, включения) и расстоянием между ними. Их росту способствует концентрация напряжений; наблюдающееся при этом слияние пор в области локального сужения ведет к разрушению.

Вязкое разрушение обычно идет по телу зерна, но если включения выделяются преимущественно по границам зерен, становится возмож­ным волокнистое вязкое межзеренное разрушение.

Твердые включения в мягкой матрице вызывают искажения локаль­ных полей напряжений, и создающиеся концентрации напряжений могут привести к разрушению включения или к его отделению (отрыву) от матрицы. Возникшая таким способом пора первоначально удлиняется со скоростью примерно в 2 раза превышающей скорость удлинения об­разца, но эта скорость постепенно уменьшается по мере того, как пора принимает эллипсоидальную форму. Окончательное разрушение проис­ходит, когда высота эллипсоида 2h приближается к величине расстоя­ния между порами 2l в результате локального сужения пластичной мат­рицы между порами. Исходя из этих предпосылок, можно показать, что деформация при разрушении пластичного материала равна

,

где f – объемная доля пор, – постоянная материала, близкая к 1, С – разность скоростей деформации поры и матрицы.

Внутризеренное разрушение при ползучести. Если Т > 0,3 Tпл, металл деформируется посредством ползучести, развитие которой зависит от времени; напряжение течения зависит при этом от деформации. Прос­тейшее выражение для скорости деформации имеет вид (сте­пенная ползучесть, power low creep), где В и п — материальные постоян­ные; поры зарождаются в этом случае внутри зерен. Однако вследствие того, что пластическое течение при температурах Т > 0,3 Тпл зависит от времени, оно может происходить при весьма низких напряжениях, и процесс зарождения пор оказывается длительным. Более того, может замедляться также и процесс слияния пор. В итоге разрушение оказы­вается зависящим от времени.

^ Межзеренное разрушение при ползучести. В условиях долговременно­го действия низкого напряжения и, соответственно, при больших долговечностях может развиваться межзеренное разрушение. В такой ситуа­ции проскальзывание по границам способствует зарождению пор и клиновидных трещин, нормальных к направлению действия растягивающего напряжения. Поведение материала в таком режиме с хорошим прибли­жением может быть описано уравнением , где – долговечность (время до разрушения), – скорость устано­вившейся ползучести. В основе этого соотношения лежит предположение о том, что разрушение происходит в результате степенной ползучести, которая контролирует зернограничное скольжение и, следовательно, зарождение пор, которое при этом занимает основную долю жизни металла. Если же основную долю жизни занимает процесс роста пор, то это контролируется диффузионными процессами, которые в свою оче­редь определяются степенной ползучестью окружающей матрицы.

Разрыв. Если все другие моды разрушения исключены, возможно зна­чительное пластическое сужение площади поперечного сечения. Зарожде­ние и слияние пор может оказаться подавленным динамическим возвра­том и рекристаллизацией. Деформация локализуется в шейке или в по­лосах сдвига и продолжается до тех пор, пока площадь поперечного се­чения не приблизится к нулю.

^ Динамическое разрушение. Это – мгновенное разрушение в результа­те быстрого приложения нагрузки, вызывающего образование в материа­ле упругих и пластических волн.

^ Чисто диффузионное разрушение. Это – предельный случай разруше­ния при межзеренной ползучести, имеющий место при низких напряже­ниях и высоких температурах, когда становится возможным долговре­менная диффузия дислокации. Этот случай разрушения возможен лишь в определенных случаях.

^

Карты разрушения


На рис. 23, 24 представлены примеры карт механизмов разрушения для разных материалов.



Рис. 23. Карта механизмов разрушения никеля технической чистоты (г.ц.к.-решетка): ^ 1 - динамическое разрушение; 2 - вязкое внутризеренное разрушение;

3 - внутризеренная ползучесть; 4 - разрыв (при динамической рекристаллизации);

^ 5 -разрушение в результате внутризеренной ползучести; б - клиновидные трещины; 7- поры




Рис. 24. Карта механизмов разрушения вольфрама технической чистоты

(о.ц.к.-решетка); d=100 мкм: ^ 1 - динамическое разрушение; 2 - раскол типа 1;

3 - раскол типа 2 или BIF 2; 4 - раскол типа 3 или BIF3; 5 - вязкое разрушение;

6 - внутризеренное разруше­ние в результате ползучести; 7 - разрыв; 8 - поры;

9 - клиновидные трещины; 10 - межзеренное разрушение в результате ползучести


Области разрушения, характеризуемые разными микромеханизмами, определяются обычно путем фрактографических исследований, но в некоторых случаях они могут быть найдены по рез­кому изменению и . Карты справедливы лишь для уровней напря­жений, соответствующих скорости деформации ~106 с-1, т.е. для долговечностей порядка 10-6 с, так как при более жестких условиях харак­терно разрушение за счет динамической деформации, при которой через металл распространяются упругие и пластические волны. Это не следует смешивать с быстрым разрушением при низких напряжениях материа­лов, имеющих врожденные острые и крупные дефекты.

Металлы г.ц,к. Карта (рис. 23), построенная на основе испытаний на растяже­ние никеля технической чистоты, является типичной для многих г.ц-к.-сплавов и металлов.

На карте выделено четыре области механизмов разрушения. При высо­ких напряжениях и низких температурах разрушение носит вязкий характер. По­вышение температуры приводит к ползучести и уменьшению разрушающего напря­жения. Быстрое разрушение происходит за счет внутризеренной ползучести аналогично вязкому разрушению, при этом мода пластической деформации изменяет­ся от скольжения до степенной ползучести. Однако само разрушение происходит в результате роста и объединения пор. При более низких напряжениях и, следователь­но, больших долговечностях доминируют процессы межзеренной ползучести, при­чем можно выделить две подобласти, в одной из которых основной причиной раз­рушения является зарождение клиновидных трещин, а в другой – преимуществен­ное образование пор по границам зерен. Для обеих форм межзеренной ползучести характерна низкая пластичность и разрушение после весьма малых деформаций. Зона перехода от внутризеренного разрушения к межзеренному на диаграмме заштрихована; здесь можно наблюдать разрушение смешанного типа.

При дальнейшем повышении температуры ползучести сопутствует динамическая рекристаллизация, и разрушение происходит с образованием шейки или при суже­нии сдвигом до лезвия (chisel edge).

Легирование влияет на механизмы, а значит и на области их действия. Стабиль­ные дисперсные выделения подавляют рекристаллизацию и тем самым сдерживают разрушение, в то время как некоторые весьма чистые металлы могут разрушаться по механизму разрыва при комнатной температуре. При одновременном наличии дисперсных выделений и твердого раствора прочность возрастает и имеется тен­денция к расширению зоны разрушения по механизму межзеренной ползучести на области, в других ситуациях свойственные иным механизмам разрушения.

Металлы о. ц. к. На рис. 24 представлены детализированные характеристики раз­рушения вольфрама технической чистоты, который является типичным представи­телем о.ц.к.-металлов.

При наличии в образце внутренних дефектов происходит низкотемпературный раскол типа 1 без пластической деформации. Однако обычно трещины зарождают­ся в результате двойниковаиия или скольжения; в дальнейшем они распростра­няются по механизму либо внутризереиного раскола типа 2, либо BIF2. Уже не­большое повышение температуры делает возможным некоторое пластическое течение, так как предел текучести снижается при этом быстро, однако разрушение происходит расколом по типу 3, несмотря на повышение вязкости разрушения, о котором свидетельствует возрастание пластичности при разрушении е у примерно да 10 %. При Т > 0,3 Тпл наблюдается вязкое разрушение при повышенных напря­жениях. И здесь снова небольшое снижение напряжения делает доминирующим процесс ползучести, хотя характер разрушения остается вязким.

При низких напряжениях характерна межзеренная ползучесть. В области 0,5 Тпл и /Е = 10-4 типичны клиновидные трещины, а при более низких напряжениях и одновременно высоких температурах разрушение связано с развитием пор; в об­ласти температур, близких к точке плавления, и относительно высоких напряже­ниях происходит разрушение разрывом.

Таким образом, как видно, процесс разрушения является чрезвычайно сложным, многоступенчатым, зависящим от условий, и это все проявляется как на субмикроскопическом и микроскопическом уровнях (физика, материаловедение, металлургия), так и на макроуровне (механика разрушения, конструкционная прочность). Механика разрушения преимущественно рассматривает феноменологические модели на макроуровне и поэтому не оперирует столь большим разнообразием физических механизмов и видов разрушения, а в качестве основных рассматривает хрупкое, квазихрупкое, упругопластическое и усталостное разрушения.


  1. ^ Классические схемы хрупкого, квазихрупкого, вязкого разрушения

Граница между различными видами разрушения до сих пор размыта и не является четко очерченной. До сих пор нет общепринятого определения хрупкого разрушения. Вот некоторые из них.

1. Разрушение является хрупким, если для его протекания и завершения достаточно упругой энергии разрушаемой конструкции.

2. Хрупким является разрушение, при котором нестабильный рост трещины происходит при напряжениях, меньших предела текучести.

3. Хрупким является разрушение без заметных пластических деформаций.

4. Разрушение хрупкое, если достаточно велика доля хрупкого составляющего в изломе

5. Качественное различие между разрушениями связано со скоростью распространения трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика – достигает 0.4…0.5 скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

В зависимости от условий состояние материала и характер разрушения меняется. Известны несколько классических схем, связывающих характер разрушения с внешними условиями, показывающих условия перехода материалов из пластического в хрупкое состояние.

Схема П.Людвика (1909 г.). Схема (рис. 25) построена в координатах напряжение – деформация, но в качестве фактора, влияющего на сопротивление пластической деформации и на пластичность, принята скорость деформации.




Рис. 25. Схема П.Людвика


Схема А.Ф.Иоффе (1924 г.). Состояния материала были представлены Иоффе в виде удобной схемы (рис. 26), носящей его имя.




Рис. 26. Схема А.Ф.Иоффе,

т – предел текучести; от – сопротивление отрыву


Здесь кривая т есть изменение начального предела текучести в зависимости от абсолютной температуры. Прямой от изображено сопротивление отрыву стали при низких температурах при отсутствии общей пластической деформации. Рассмотрение причин возникновения трещин показывает, что для достижения приложенным напряжением величины сопротивления отрыву от даже при отсутствии общей пластической деформации необходима небольшая величина местной пластической деформации. Эти две кривые (т и от) пересекаются при температуре хрупкого перехода ТR(1). Ниже ТR(1) напряжение в образце станет равным сопротивлению отрыву до достижения напряжения общей текучести и поэтому произойдет хрупкое разрушение. Выше температуры ТR(1) сначала будет достигнут предел текучести и поэтому произойдет большая или меньшая пластическая деформация. Увеличение скорости деформации, большая степень трехосности напряженного состояния приводят к повышению предела текучести, в результате чего кривая т смещается в положение кривой т. Пересечение кривых от и т происходит при более высокой температуре ТR(2), т.е. температура изменения вида разрушения увеличивается от ТR(1) до ТR(2). С другой стороны, предварительная пластическая деформация при умеренных температурах увеличивает работу разрушения и, следовательно, сопротивление отрыву от от до от, уменьшая тем самым температуру хрупкого перехода при обычных изменениях т.

Схема построена на основании опытов, проводившихся на каменной соли, и относится либо к однородному напряженному состоянию, либо к элементу объема. Такие важнейшие факторы, как вид напряженного состояния и существование у одного и того же материала двух физически различных сопротивлений разрушению, в этой схеме вовсе не отражены. Хотя схема Иоффе построена в координатах напряжение – температура испытания, а схема Людвика в координатах напряжение – деформация (при различных скоростях деформации), по сути дела в обоих схемах выражена одна и та же идея – материал имеет практически не изменяющееся (от температуры в схеме Иоффе или от скорости в схеме Людвика) сопротивление разрушению (отрыву) и сильно изменяющееся от тех же факторов сопротивление пластической деформации, которое характеризуется в схеме Иоффе пределом текучести, а в схеме Людвика – текущими ординатами кривой деформации).

Схема А.Ф.Иоффе сыграла важную роль в понимании механических свойств, в особенности при изучении хладноломкости металлов в работах Н.Н.Давиденкова и его школы. Применение и развитие этой схемы для металлов принадлежит Н.Н.Давиденкову. Он отмечал, что одни металлы являются хладноломкими, т.е. разрушаются хрупко при понижении температуры, а другие нет. Потеря пластичности и переход в хрупкое состояние при определенной критической температуре (или в интервале температур) свойственны не всем металлам. С одной стороны, малоуглеродистые стали, цинк, кадмий, магний, подвержены хладноломкости, с другой стороны, медь, алюминий, никель, свинец, аустенитные стали даже при испытании на ударный изгиб с надрезом при низких температурах не теряют своей пластичности. Можно предположить, что различное поведение зависит от типа кристаллической решетки и что решетки объемноцентрированного куба и гексагональная склонны к хладноломкости, а решетка гранецентрированного куба ее не обнаруживает. Для металлов с решеткой объемноцентрированного куба и гексагональной повышение диаграммы сжатия, главным образом, вызывается одним охлаждением и проявляется в повышении предела текучести, тогда как для металлов с решеткой гранецентрированного куба следствием понижения температуры является повышение коэффициента упрочнения. При этом повышение предела текучести у первых металлов при растяжении может привести к хрупкому разрушению, если только предел текучести поднимется выше сопротивления отрыву (по схеме А.Ф.Иоффе). Напротив, для второй группы металлов сопротивление отрыву при наличии растягивающих напряжений могло бы быть достигнуто (впрочем, никогда не достигается) только после определенной степени пластической деформации, поэтому совершенно хрупкое разрушение невозможно.


Схема Н.Н.Давиденкова (1936 г.)(рис.27). Основываясь на результатах исследования монокристаллов -железа, которые в зависимости от температуры и других условий опыта могут разрушаться пластичски, по плоскостям, проходящим через диагональ куба, и хрупко по граням куба, было предложено учитывать не только два вида разрушения, но и два сопротивления разрушению, названные Давиденковым вязким и хрупким отрывом.



^
Рис. 27. Схема Н.Н.Давиденкова.
Кривая CL – сопротивление хрупкому разрушению,
MB – сопротивление вязкому разрушению.


Введенные Давиденковым в схему механического состояния две различные ветви разрушения положили начало разграничению между характеристиками разрушения – сопротивлением отрыву и сопротивлением срезу. В дальнейшем выяснилось, что каждая из этих характеристик связана с различными по характеру напряжениями: сопротивление отрыву с растягивающими, сопротивление срезу с касательными. На схеме наносится семейство истинных кривых деформирования для различных напряженных состояний. Концевые точки кривых (соответствующие разрушению) располагаются на ветви CL – хрупких разрушений и ветви MB – вязких разрушений.

Схема перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 28), предложенная Е.М.Шевандиным (1953 г.), состоит из кривых истинных напряжений s=f(), полученных при температуре испытания от +20 до –1960С для сталей, склонных к хрупкому разрушению. Схема похожа на схему Н.Н.Давиденкова, однако кривая, огибающая конечные точки кривых истинных напряжений, состоит не из двух ветвей, как у Давиденкова, а из трех. Ветвь DC определяет область вязких разрушений с изломами волокнистого строения, ветвь CB – область полухрупких смешанных разрушений с изломами частично кристаллического строения, ветвь BA – хрупкие разрушения с изломами кристаллического строения.


1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (1627.5 kb.)

Поиск по сайту:  

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