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

1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9
^

Рис. 7. Дефекты кристаллической решетки материала:

а – вакансия; б – межузловой атом в кристалле



Пространственное расположение атомов в узлах кристаллической решетки определяется следующим свойством: если ^ О — некоторый узел решетки, то вектор 001, связывающий О с произвольным узлом, определяется соотношением


,


где - векторы трансляции, т.е. смещения, соединяющие узел ^ О с ближайшими атомами по трем осям; ni – целые числа.

Дислокация — это специфический линейный дефект кристаллической решетки, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей (рис. 8). Если одна из плоскостей обрывается (рис. 8, б), то ее край образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией. В природе существуют также винтовые дислокации и всевозможные комбинации краевых и винтовых дислокации.





Рис. 8. Конфигурация атомных плоскостей:

а – идеальный кристалл; ; б –краевая дислокация


Важной характеристикой дислокации является контур Бюргерса, косвенно определяющий размеры и ориентировку дислокации в кристал­ле (рис.9, 10). Звенья этого контура совпадают с так называемыми век­торами трансляции. Контур Бюргерса можно строить, начиная с произвольно взятого узла последо­вательными шагами (от узла к узлу). Оказывается, что контур, по­строенный вокруг дислокации, не замыкается. Вектор b назы­вают невязкой, или вектором Бюргерса, который всегда постоянен вдоль линии дислокации.





Рис. 9. Геометрическое представление винтовой и смешанной дислокации





Рис. 10. Контуры Бюргерса для краевой и винтовой дислокаций


Если материальное тело находится под нагрузкой, то дислокации могут двигаться. Существует аналогия движения дислокаций передвижению дождевого червя и змеи (рис. 11). Они скользят по поверхности земли, перемещая свое тело частями, аналогично нашим представлениям о движении дислокаций. У дождевого червя участок, с которого начинается перемещение всего тела, находится у головы, у змеи – у хвоста, хотя оба передвигаются в одну сторону. В обоих случаях участки, через которые прошла волна возмущений, восстанавливают исходную форму.

Еще один пример – тяжелый ковер, лежащий на полу, очень трудно сдвинуть, прикладывая к нему силу. Гораздо легче образовать сначала складку и передвигать ее, пока складка не схлопнется, дойдя до другого края ковра. Окончательным итогом в обоих случаях будет смещение всего ковра.

Скольжением дислокации называется ее движение по атомной плос­кости, параллельной вектору Бюргерса (рис. 12). Как правило, сколь­жение дислокации всегда сопровождается пластической деформацией материала (рис. 13). Переползание дислокации — это перемещение краевой дислокации по нормали к плоскости скольжения (рис. 14). Любое перемещение дислокации в материале может быть сведено к скольжению или переползанию. Этот процесс зависит от уровня дей­ствующих нагрузок и внутренней энергии деформирования.





Рис. 11. Движение червя и змеи – аналогия перемещению дислокаций

Рис. 12. Последовательное перемещение краевой дислокации при скольжении

Рис. 13. Схематическое изображение упругой (а) и пластической (б) деформаций кристаллической решетки





Рис. 14. Схематическое изображение деформации кристалла при переползании

Важно отметить одно обстоятельство, свидетельствующее о необя­зательности снижения, например, прочности материала с увеличением числа дислокации. На рис. 15 изображен кристалл с двумя краевыми дислокациями, развивающимися в противоположных направлениях. В силу перечисленных свойств "положительная" и "отрицательная" крае­вые дислокации, лежащие в одной плоскости скольжения, могут встре­титься и образовать полную атомную плоскость. При этом обе дислока­ции исчезают, а прочность кристалла возрастает





Рис. 15. “Положительная” и “отрицательная” краевые дислокации,

способные к самоупорядочению кристалла


Подвижность субмикроструктуры обусловлена избыточностью энер­гии, заложенной в материал при силовом и температурном воздействии в процессе изготовления. Освобождение этой энергии происходит под воздействием эксплуатационного нагружения. В процессе движения субмикроструктуры дефекты низшего порядка притягиваются дефектами высшего порядка. Например, объемные дефекты могут притягивать поверхностные, а они в свою очередь – линейные и точечные дефекты.


  1. ^ Теоретическая и реальная прочность твердых тел



Атом состоит из элементарных частиц, к которым относятся нейтрон – частица без заряда, электрон – отрицательно заряженная частица и протон – положительно заряженная частица. Электроны движутся по орбите вокруг ядра атома, которое состоит из протонов и нейтронов. В зависимости от положения электронов на орбитах межатомную связь можно разделить на металлическую, ковалентную и ионную. Металлическую связь можно представить следующим образом. Если два атома удалены на большое расстояние, то электроны притягиваются к протонам ближайшего атома. Если атомы постепенно сближаются , то орбиты электронов обоих атомов частично перекрывают друг друга, появляется свободный электрон, не связанный с этими атомами. Полному сближению атомов мешают возрастающая по мере уменьшения межатомного расстояния сила отталкивания, возникающая вследствие деформации электронных оболочек атомов, а также сила отталкивания между положительно заряженными ионами (рис. 16).




Рис. 16. Изменение потенциальной энергии взаимодействия между атомами:

1 – сила притяжения; 2 – равнодействующая сила; 3 – сила отталкивания


При теоретическом расчете сил разрыва связи между атомами, отнесенных к единице площади, получаем величину теоретической прочности примерно 1/10 модуля Юнга. На самом деле фактическая прочность составляет 1…10 % теоретической прочности.

Физики предположили, что причина расхождения между теорети­ческой и реальной прочностью заключается в том, что в основе теоре­тического расчета лежит гипотеза о преодолении сил связи атомов при отрыве одновременно по всему сечению испытываемого образца. В действительности же силы связи преодолеваются не одновременно. Причиной этого являются местные дефекты. Разрушение реальных кристаллов происходит не одновременно по всему сечению, а в две стадии: 1) возникновение трещин в дефектных местах; 2) распростра­нение трещин по всему сечению с разделением кристалла на две части.

Предположение о роли дефектов получило экспериментальные и теоретические подтверждения.

Одним из классических подтверждений стал опыт А. И. Иоффе в 20-е годы нашего столетия. Образцы каменной соли при разрыве на воздухе имели предел прочности около 5 МПа. Когда образцы разрывали в воде, их прочность возросла до 1600 МПа, т. е. в 320 раз. Вывод, который был сделан из этих опытов, состоял в том, что проч­ность образцов каменной соли, разрываемых на воздухе, опреде­ляется поверхностными дефектами. При разрыве в воде прочность возрастает вследствие удаления дефектов вместе с растворяющимся поверхностным слоем каменной соли.

Другой опыт, заслуживающий упо­минания, – это достижение теорети­ческой прочности на нитевидных кри­сталлах, выращенных по специальной технологии. Например, нитевидный кристалл железа диаметром 1,6 мкм имеет прочность 13,4103 МПа, т. е. почти в тысячу раз больше проч­ности монокристаллов железа в образ­цах обычных размеров. Достижение теоретической прочности на безде­фектных нитевидных кристаллах также является доказательством влияния де­фектов кристаллической решетки на уро­вень реальной прочности твердых тел.

Третьим доказательством и следствием установленной роли де­фектов являются статистические теории прочности, хорошо согла­сующиеся с опытом. Статистические теории основаны на том, что прочность реальных тел определяется дефектами. Появление дефек­тов разной степени опасности и их распределение в материалах под­чиняются законам случайности. Разрушение, согласно этим теориям, происходит при достижении средним напряжением предела местной прочности, т. е. прочности ослабленного дефектом сечения об­разца.

Вероятность появления в теле наиболее опасного дефекта увели­чивается с увеличением объема тела. Вследствие этого появляется зависимость средней прочности от объема нагруженного тела.

На рис. 17 показана зависимость прочности стеклянных нитей от их диаметра d. Зависимость получена опытным путем, но она со­гласуется с результатами, полученными по статистическим теориям.




Рис. 17. Зависимость прочности стеклянных нитей от диаметра



  1. Предмет механики разрушения



Выбор метода изучения прочности и разрушения материа­лов зависит от размера исследуемого объекта (рис. 18). Размер часто определяет раздел науки или в пределах раз­дела уровни исследования, которые могут развиваться практически независимо друг от друга. Например: 1) на уровне физических теорий, или физика твердого тела; 2) на уровне материаловедческих исследований для ме­таллов – металловедение; 3) на уровне механики мате­риалов, или механические исследования конструкций. Для удобства в дальнейшем будет использоваться эта клас­сификация.

Чтобы проследить за развитием науки о прочности, необходимо детально изучить каждую ее специальную область. В настоящее время, несмотря на существенный прогресс в каждой из трех областей науки о прочности, все же имеет место большое различие между исследовани­ями, проводимыми на микро- и макроскопических уров­нях, что связано с известными затруднениями.

На рис. 18 представлены размеры изучаемых объектов. К объектам, равным 10-2-10-3 см, относятся, с одной стороны, зерна – основные объекты исследования ме­талловедения и физики металлов, с другой – трещины – объект, изучаемый механикой материалов. В целом во всем интервале размеров могут содержаться объекты, начиная от дислокации и вакансий – дефектов на атом­ном уровне – и кончая трещинами – макродефектами. Указанные дефекты можно объединить общим названием «структурные дефекты материала».


Рис. 18. Спектр объектов исследований, механизмы прочности и разрушения. Область микроисследований – физика твердого тела, металлургия, металловедение; область макроисследований – механика материалов, механика непрерывных сред, прочность конструкций. Все эти направления исследований на рисунке обозначены штриховыми и сплошными линиями. Следует строго разграничи­вать микро- и макрообласти исследований, а внутри этих больших разделов – области каждого научного направления. На схеме по­казан интервал размеров твердых тел от 10-8 до 104 см. В настоящее время серьезной проблемой является система, которая коорди­нировала бы взаимосвязь между сферами исследований. Например, необходимо исследование влияния надреза 100 – 101 см (раздел Механика материалов) согласовать с прочностью объектов 102 – 104 см – крупногабаритные турбины, самолеты и т. д. (раздел Прочность конструкций):

1 – микроисследования; 2 – макроисследования; 3 – размер дислокаций; 4 – физика твердого тела; 5 – размер крупных молекул; 6 – металлургия; 7 – материаловедение; 8 – неметаллические включения; 9 – трещина; 10 кристаллические зерна; 11 – размер зерен; 12 – механика сплошных сред и механика материалов; 13 – гладкие образцы; 14 – образцы с трещиной или надрезом; 15 – прочность конструкций;

16 – самолеты; 17 – крупногабарит­ные турбины; 18 – корабли; 19 длина трещины; 20 – толщина образца; 21 – ширина образца.


Может показаться, что эти дефекты не могут рассматриваться совместно. Однако имеются все основания для изучения микро- и макрообъек­тов, что имеет важное практическое значение. Учет роли всевозможных дефектов структуры в формировании макроскопических свойств материала невозможно выполнить простым суммированием функций, которые линейно опи­сывают закономерности влияния этих дефектов. Макро­скопические закономерности поведения сплошного тела, по-видимому, можно описать как суперпозиции функ­ций мультипликативного вида, комплексно описывающих влияние структурных дефектов. При изучении этих проб­лем положены в основу следующие принципы: 1) комплексность; 2) широкий охват исследуемых материалов; 3) изучение разрушения в различных условиях нагружения (течение, хрупкое и вязкое разрушение, раз­рушение в средах в условиях усталости и ползучести).

В настоящее время комплексный подход в области прочности материалов предполагает следующие направления.

1. Атомистический подход (атомистическая теория и теория дисло­кации)

2. Микроструктурный подход — изучение структуры материалов (металловедение и физика металлов)

3. Подход с позиции механики сплошных сред (механика разрушения)

4. Феноменологический подход (аналитические методы расчета)

5. Подход, базирующийся на термодинамике и статистической меха­нике

6. Статистический (вероятностный) подход

7. Подход, учитывающий влияние окружающей среды

8. Механические испытания материалов (анализ напряжений и де­формаций в материалах)

9. Подход с точки зрения прочности конструкций (считается основ­ным, так как именно здесь в полной мере можно использовать принцип систематизации и новые методологические разработки).

Конструкционный подход

а) синтез микро- и макроисследований с позиций механики разру­шения

б) связь микро- и макрообъектов с позиции кинематики

в) вероятностные подходы


  1. ^ Основные механизмы образования трещин



Известно, что зарождение микротрещин не может быть связано с упругим деформированием. В принципиальном отношении существующие сегодня взгляды не претерпели изменений с того времени, как А.В.Степанов (30-е гг.) выдвинул известное положение об ответственности пластической деформации за возникновение микротрещин. Однако развитие дислокационных представлений позволило количественно их сформулировать. Суть вопроса состоит в том, что на самых ранних стадиях пластического деформирования взаимодействие дислокаций приводит к образованию микрощели атомного масштаба. Предложено довольно много дислокационных механизмов и они весьма разнообразны. Идея модели слияния дислокаций основывается на представлениях о возможности слияния головных дислокаций в достаточно мощном скоплении, заторможенном у какого-либо прочного барьера, например у границы зерна (рис. 19). Расчеты, выполненные Стро, показали, что как только первые две дислокации скопления сольются с образованием микротрещины атомного размера, она получает возможность расти, и все остальные дислокации скопления сливаются в одну микротрещину.




Рис. 19. Возникновение микротрещин

при слиянии дислокаций в вершине скопления.


Предложено большое количество других механизмов (рис. 20). Все механизмы можно разделить на несколько групп. Прежде всего это случаи, когда принудительное слияние экстраплоскостей многих дислокаций ведет к формированию полости. Далее следуют механизмы, связанные с заторможенным сдвигом, при котором возникновение микротрещины обусловлено полями упругих напряжений в голове скопления.




Рис. 20. Механизмы зарождения микротрещин: а – слияние головных дислокаций; б – вскрытие трещины в вершине заторможенного сдвига под действием нормальных напряжений; б’ – разрыв в плоскостях, параллельных плоскости скольжения; в – вскрытие плоскости скольжения; г – вскрытие искривленной плоскости скольжения; г’ – слияние дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения; д, д’ – разрушение при пересечении плоскостей скольжения; е-е’’’’ – различные варианты возникновения микротрещин при пересечении плоскостей скольжения и образовании сбросов; ж – разрыв дислокационной стенки; з-з’’ – варианты встречи двойников; и – встреча двойник-граница с возникновением трещин по спайности; и’ – встреча двойник-граница с образованием трещины по зоне аккомодации; к – двойник своими дислокациями опережения стимулирует поверхностную микротрещину; л – двойник вскрывает трещину на поверхности своей упругой волной; м – формирование профиля микротрещины при локализованном скольжении; н – микротрещина в основании ступеньки; о – полоса скольжения инициирует трещину в хрупкой пленке, откуда она распространяется в матрицу; п-п’’’ – варианты возникновения микротрещин на межзеренном сочленении, атакованном поллосой скольжения; р – образование трещины на межзеренной границе, атакованной двумя полосами скольжения; с – образование микропоры на границе за счет проскальзывания; т – трещина возникает в хрупком неметаллическом включении и распространяется в матрицу.


Может наблюдаться вскрытие самой плоскости скольжения. Довольно четко объединяются схемы пересечения двойник-двойник, полоса скольжения-полоса скольжения. Существует вариант образования зародыша трещины при разрыве или частичном смещении дислокационной стенки. Следует, однако, иметь в виду то обстоятельство, что во многих случаях невозможно провести четкую грань между различными вариантами и исключить существование еще серии механизмов, отличных от рассмотренных.

В результате движения дислокаций, взаимодействия их с жесткими препятствиями и между собой возникают большие местные концентрации напряжений, которые могут вызвать образование трещин размером в несколько межатомных расстояний. Рассмотрим подробнее некоторые механизмы образования дислокационных трещин.

Какой из механизмов можно считать предпочтительным в случае технических поликристаллических материалов? Эксперименты показывают, что основным можно считать механизм образования микротрещин в карбидных частицах, действующих в ферритной матрице как мощные концентраторы напряжений, способные создавать зародыши разрушения уже при деформации 1 %. Более 90 % микротрещин возникает по этой причине.


  1. ^ Виды и классификации разрушений



Разрушение представляет собой чрезвычайно сложный, многостадийный процесс, управляемый большим количеством факторов. В зависимости от изменяющихся условий можно получить весьма различные характеристики процесса разрушения. О сложности и неоднозначности явления свидетельствует тот факт, что общепринятого определения разрушения и общепринятой классификации видов разрушения.

В общем случае механическое разрушение может быть опре­делено как любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, в результате которого она утрачивает способность удовлетворительно выполнять свои функции. Основываясь на этом, вид разрушения можно определить как физический процесс или несколько взаимосвязанных между собой процессов, приводящих к разрушению.

Рассмотрим наиболее известные попытки классификации видов и типов разрушения.

Проф. Старки (W. L. Starkey) из Университета шт. Огайо пред­ложил систему классификации всех возможных видов разрушения. Эта система основана на учете трех факторов: (1) характера разру­шения, (2) причин разрушения и (3) места разрушения. Подробно эти факторы определяются ниже. Каждый отдельный вид разру­шения характеризуется тем, как проявляйся разрушение, что его вызывает и где оно происходит. Используя различные комбинации этих факторов, можно указать буквально сотни видов разрушения. Чтобы подробнее пояснить суть этой системы классификации, рас­кроем содержание каждого из этих трех факторов.

По характеру разрушения можно выделить четыре класса (при­чем некоторые из них могут состоять из подклассов):

1. Упругая деформация.

2. Пластическая деформация.

3. Разрыв, или разделение на части.

4. Изменение материала: (А) металлургическое; (В) химическое; (C) ядерное.

По причинам разрушения можно определить четыре класса:

1. Нагрузки: (А) установившиеся; (В) неустановившиеся; (С) циклические; (D) случайные.

2. Время процесса: (А) очень малое; (В) малое; (С) продолжи­тельное.

3. Температуры: (А) низкие; (В) комнатные; (С) повышенные; (D) установившиеся; (Е) неустановившиеся; (F) циклические; (G) случайные.

4. Воздействия окружающей среды: (А) химические; (В) ядер­ные.

По месту разрушения существует два типа разрушения: (А) объемное; (В) поверхностное.

Для точного описания какого-либо вида разрушения необходи­мо выбрать характеристики процесса из указанного перечня, не упуская из виду ни одного из трех основных факторов. Например, для описания разрушения в качестве характерного проявления можно выбрать пластическую деформацию, в качестве причин — установившуюся нагрузку и комнатную температуру, а в качест­ве типа — объемный тип разрушения. Таким образом, указанный вид разрушения можно определить как объемное пластическое де­формирование под действием установившейся нагрузки при ком­натной температуре. Такой вид разрушения обычно называется течением. Отметим, однако, что термин течение обычно определяет не только указанный вид разрушения: этот термин имеет более общий смысл.

Используя перечисленные классы и подклассы трех основных факторов, определяющих вид разрушения, можно дать определе­ние многих других видов разрушения. Приведенный перечень ха­рактеристик процесса разрушения нуждается в дополнительном пояснении и конкретизации, особенно применительно к наиболее опасным видам разрушения. Ниже перечислены двадцать три таких вида разрушения.

Нижеследующий перечень содержит наиболее часто встречающиеся на практике виды разрушения. Глядя на этот перечень, можно за­метить, что некоторые виды разрушения являются простым про­цессом, в то время как другие представляют собой сложные явле­ния. Например, в этом перечне в качестве видов разрушения ука­заны коррозия и усталость, а наряду с этим в качестве еще одного вида разрушения указана коррозионная усталость. Это сделано потому, что и коррозия, и усталость часто оказывают существен­ное влияние на поведение конструкций, причем механизмы их дей­ствия взаимосвязаны. Это означает, например, что при коррози­онной усталости коррозия ускоряет процесс усталости, а действие циклических усталостных нагрузок в свою очередь ускоряет про­цесс коррозии. В приведенном перечне содержатся все обычно на­блюдаемые виды механического разрушения.

1. Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и (или) температуры.

2. Текучесть.

3. Бринелирование.

4. Вязкое разрушение.

5. Хрупкое разрушение.

6. Усталость: (А) многоцикловая; (В) малоцикловая; (С) термическая; (D) поверхностная; (Е) ударная; (F) коррозионная; (Q) фреттинг-усталость.

7. Коррозия: (А) химическая; (В) электрохимическая; (С) ще­левая; (D) точечная (питтинговая); (Е) межкристаллическая; (F) избирательное выщелачивание; (G) эрозионная; (Н) кавитационная; (I) водородное повреждение; (J) биологическая; (К) коррозия под напряжением.

8. Износ: (А) адгезионный; (В) абразивный; (С) коррозионный; (D) поверхностный усталостный; (Е) деформационный; (F) ударный; (G) фреттинг-износ.

9. Разрушения при ударе: (А) разрыв при ударе; (В) деформи­рование при ударе; (С) ударный износ; (D) ударный фреттинг; (Е) усталость при ударе.

10. Фреттинг: (А) фреттинг-усталость; (В) фреттинг-износ; (С) фреттинг-коррозия.

11. Ползучесть.

12. Термическая релаксация.

13. Разрыв при кратковременной ползучести.

14. Тепловой удар.

15. Заедание и схватывание.

16. Откол.

17. Радиационное повреждение.

18. Выпучивание.

19. Выпучивание при ползучести.

20. Коррозия под напряжением.

21. Коррозионный износ.

22. Коррозионная усталость.

23. Ползучесть с усталостью.

Ниже дается краткое определение с соответствующими пояснениями видов механического раз­рушения.

Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и (или) температур. Этот вид разрушения имеет место, когда уп­ругая (обратимая) деформация элемента, возникающая при дейст­вии эксплуатационных нагрузок и температур, становится настоль­ко большой, что элемент утрачивает способность выполнять пред­назначенную ему функцию.

Текучесть имеет место, когда пластическая (необратимая) де­формация пластичного элемента, возникающая при действии экс­плуатационных нагрузок, становится настолько большой, что элемент утрачивает способность выполнять предназначенные ему функции.

Бринелирование, или разрушение вдавливанием, происходит, когда статические усилия в месте контакта криволинейных поверх­ностей приводят к появлению локальных пластических деформаций у одного или у обоих соприкасающихся элементов, в результате чего происходит необратимое изменение формы поверхности. На­пример, если шарикоподшипник статически нагружен так, что ша­рик вдавливается в обойму, пластически деформируя ее, то по­верхность обоймы становится волнистой. При дальнейшем исполь­зовании подшипника могут возникнуть недопустимые вибрации, шум и перегрев, т. е. налицо его разрушение.

^ Вязкое разрушение наблюдается, когда пластическая деформа­ция пластичного элемента достигает такой величины, что он раз­деляется на две части. Разрушение происходит в результате про­цесса зарождения, слияния и распространения внутренних пор, поверхность разрушения при этом гладкая и волнистая.

^ Хрупкое разрушение происходит, когда упругая деформация элемента из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части. Внутренние дефекты и образующиеся тре­щины быстро распространяются до полного разрушения; поверх­ность разрушения при этом неровная, зернистая.

Термин усталость применяется для обозначения разрушения в виде неожиданного внезапного разделения детали или элемента машины на две или более части в результате действия в течение некоторого времени циклических нагрузок или деформаций. Раз­рушение происходит путем зарождения и распространения трещи­ны, которая после достижения некоторого критического размера становится неустойчивой и быстро увеличивается, вызывая разру­шение. Нагрузки и деформации, при которых обычно происходит усталостное разрушение, намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях. Когда величины нагрузок и перемещений таковы, что разрушение происходит более чем через 10 000 циклов, явление обычно называется многоцикловой устало­стью. Когда же величины нагрузок и перемещений таковы, что разрушение происходит менее чем через 10 000 циклов, явление называется малоцикловой усталостью.

Когда циклические нагрузки и деформации возникают в дета­ли в результате действия циклически меняющегося температурно­го поля, явление обычно называется термической усталостью. Разрушение, называемое поверхностной усталостью, обычно про­исходит при наличии вращающихся контактирующих поверхнос­тей. Проявляется оно в виде питтинга, растрескивания и выкрашивания контактирующих поверхностей в результате действия контактных напряжений, под влиянием которых на небольшой глубине у поверхности возникают максимальные по величине циклические касательные напряжения. Эти напряжения приводят к возникновению трещин, которые выходят на поверхность, при этом некоторые частицы материала отделяются. Это явление часто считается разновидностью износа. Ударная усталость, коррозион­ная усталость и фреттинг-усталость будут описаны ниже.

Коррозия — термин, используемый для обозначения широкого класса видов разрушения, при которых деталь или элемент машины утрачивает способность исполнять свою функцию из-за нежела­тельной порчи материала в результате химического или электро­химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионное разрушение часто проявляется во взаимодействии с другими видами разрушения, такими, как износ или усталость. Среди многих типов коррозии отметим следующие. Химическая коррозия представляет собой, по-видимому, наиболее общий тип коррозии вследствие не­посредственного контакта поверхности детали с коррозионной сре­дой. Химическая коррозия происходит более или менее равномерно по всей открытой поверхности детали. Электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют часть элект­рической цепи, замыкаемой раствором или пленкой электролита или коррозионной средой.

Щелевая коррозия — в значительной степени локализованный быстропротекающий процесс в щелях, трещинах или стыках, т. е. в местах, где задерживаются малые количества раствора, соприка­сающегося с корродирующим металлом. Точечная (питтинговая) коррозия представляет собой локализованные воздействия, в ре­зультате которых происходит образование углублений и ямок на поверхности металла. Межкристаллическая коррозия характери­зуется локальными воздействиями на границах зерен некоторых медных, хромовых, никелевых, алюминиевых, магниевых и цинко­вых сплавов после неправильной термообработки или сварки. Об­разование локальных гальванических ячеек, в которых осажда­ются продукты коррозии, приводит к существенному снижению прочности материала в результате межкристаллической корро­зии.

^ Избирательное выщелачивание представляет собой коррозион­ный процесс, в результате которого из сплава удаляется какой-либо элемент. Примерами могут служить процессы обесцинкования латуни и графитизации чугуна. Эрозионная коррозия — это быст­ропротекающий химический процесс, при котором в результате воздействия абразивных веществ или потоков вязких материалов на поверхности материала постоянно в месте контакта с коррози­онной средой обнажается свежий незащищенный материал. Кавитационная коррозия наблюдается, когда под влиянием давления пара пузырьки и каверны в жидкости лопаются у поверхности сосуда давления, в результате чего удаляются частицы материала и открывается доступ коррозионной среде к свежему, незащищен­ному материалу.

^ Водородное повреждение, хотя само и не является какой-либо разновидностью коррозии, вызывается ею. К этому виду поврежде­ния относятся насыщение водородом, водородное охрупчивание и обезуглероживание. Биологическая коррозия представляет собой процесс коррозии вследствие активности живых организмов, а именно процессов поглощения ими пищи и выделения отходов. Отходами являются вызывающие коррозию кислоты и гидроокиси. Коррозия под напряжением — очень важная разновидность корро­зии (она будет отдельно рассмотрена ниже).

Износ является нежелательным процессом постепенного изме­нения размеров вследствие удаления отдельных частиц с контак­тирующих поверхностей при их движении, обычно скользящем, относительно друг друга. Износ является в основном результатом механического действия. Это сложный процесс, точнее даже ряд различных процессов, которые могут протекать как независимо, так и взаимосвязано. Результатом этих процессов является удале­ние материала с контактирующих поверхностей вследствие слож­ного взаимодействия локальных сдвигов, вдавливаний, сваривания материала, разрывов и других механизмов.

^ Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных давлений, сваривания между собой шероховатостей поверхностей, последующей пластической деформации, возникаю­щей при их относительном перемещении, разрушения локальных сцеплений шероховатостей, удаления или переноса металла. При абразивном износе частицы удаляются с поверхности в результате режущего или царапающего действия неровностей более твердой из контактирующих поверхностей или твердых частиц, задержав­шихся между поверхностями. Когда одновременно возникают усло­вия как для адгезионного, так и для абразивного износа и корро­зии, эти процессы взаимодействуют между собой и происходит кор­розионный износ.

^ Поверхностный усталостный износ представляет собой изнаши­вание вращающихся или скользящих относительно друг друга кри­волинейных поверхностей. При этом в результате действия цикли­ческих касательных напряжений на небольшой глубине у поверх­ности возникают микротрещины, выходящие на поверхность, отка­лываются макрочастицы материала и на поверхности образуются ямки. Деформационный износ происходит в результате повторного пластического деформирования изнашиваемых поверхностей, при­водящего к образованию сетки трещин, при росте и объединении которых образуются частицы износа. Деформационный износ часто наблюдается при действии ударных нагрузок. Ударный износ имеет место при повторном упругом деформировании в процессе действия ударных нагрузок, образовании сетки трещин, которые растут так же, как при поверхностной усталости. Фреттинг-износ описан ниже.

Разрушение при ударе происходит, когда в результате действия неустановившихся нагрузок в детали возникают такие напряжения или деформации, что деталь уже не в состоянии выполнить предназ­наченную ей функцию. Разрушение происходит в результате взаи­модействия волн напряжений и деформаций, являющихся следст­вием динамического или внезапного приложения нагрузок. Взаи­модействие волн может приводить к возникновению локальных напряжений и деформаций, во много раз превышающих возни­кающие при статическом приложении тех же самых нагрузок. Если величины напряжений и деформаций таковы, что происходит разделение детали на две или более частей, то налицо разрыв при ударе. Если удар приводит к возникновению недопустимых упру­гих или пластических деформаций, такое разрушение называется деформированием при ударе. Если при повторных ударах возникают циклические упругие деформации, в результате чего появляется сетка усталостных трещин, при росте которых наблюдается описан­ное ранее явление поверхностной усталости, то процесс называется ударным износом.

Если в результате малых относительных поперечных смещений двух поверхностей при ударе, которые могут вызываться попереч­ными деформациями или действием случайных малых боковых составляющих скоростей, происходит фреттинг, то разрушение называется ударным фреттингом. Усталость при ударе наблюдается, когда разруше­ние происходит при повторном действии ударных нагрузок вследст­вие образования и распространения усталостных трещин.

Фреттинг может происходить на поверхности контакта двух твердых тел, прижатых друг к другу нормальной силой и совер­шающих относительно друг друга циклические движения малой амплитуды. Фреттинг обычно имеет место в местах соединений, там, где движения не должно быть, но в результате действия вибрационных нагрузок или деформаций незначительные циклические смещения все-таки есть. Обычно отколовшиеся при фреттинге частицы материала задерживаются между контактирующими поверхностями, поскольку относительные смещения их малы.

Фреттинг-усталость представляет собой преждевременное усталостное разрушение детали машины, на которую действуют циклические нагрузки или деформации в условиях, способствующих фреттингу. Поверхностные повреждения и микротрещины, появляющиеся в результате фреттинга. играют роль зародышей усталостных трещин, в результате роста которых усталостное разрушение происходит при таких нагрузках, которые в других условиях не вызывали бы разрушения. Фреттинг-усталость – очень опасный и коварный вид разрушения, поскольку фреттинг обычно происходит в местах соединений, не доступных для наблюдения, и приводит к преждевременному или даже неожиданному (внезапному) катастрофическому усталостному разрушению.

Фреттинг-износ наблюдается, когда изменения размеров контактирующих деталей в результате фреттинга становятся недопустимо большими или такими, что появляются концентраторы напряжений и локальные напряжения превышают допустимый уровень. Фреттинг-коррозия происходит, когда в результате фреттинга свойства материала детали ухудшаются настолько, что она не может выполнять своих функций.

Разрушение в результате ползучести происходит, когда пластическая деформация элемента машины или конструкции, накопленная в течение некоторого времени действия напряжений и температуры, приводит к изменениям размеров, вследствие которых элемент не может удовлетворительно выполнять предназначенную ему функцию. Процесс ползучести, как правило, можно разделить на три стадии: (1) неустановившуюся, или первичную, ползучесть, во время которой скорость деформации уменьшается; (2) установив­шуюся, или вторичную, ползучесть, во время которой скорость деформации практически постоянна, и (3) третичную ползучесть, при которой скорость деформации ползучести увеличивается (час­то довольно быстро) вплоть до разрушения. Такой вид разрушения часто называется разрывом при ползучести. Произойдет или нет такое разрушение — зависит от характера изменения во времени напряжений и температуры.

^ Термическая релаксация наблюдается, когда в процессе ползу­чести, приводящей к релаксации предварительно напряженной или деформированной детали, ее размеры изменяются так, что де­таль уже не может выполнять предназначенной ей функции. На­пример, если предварительно напряженные болты сосуда давления, работающего в условиях высоких температур, релаксируют вследст­вие ползучести так, что нагрузка от максимального давления пре­вышает предварительную нагрузку и герметичность соединения нарушается, говорят, что болты разрушаются вследствие термиче­ской релаксации.

^ Разрыв при кратковременной ползучести тесно связан с процес­сом ползучести, однако при этом зависимость напряжений и темпе­ратуры от времени такова, что элемент разделяется на две части. При этом напряжения и температура, как правило, таковы, что период установившейся ползучести очень непродолжителен или совсем отсутствует.

^ Тепловой удар происходит, когда градиенты возникающего в детали температурного поля настолько велики, что вследствие пере­падов температурных деформаций начинается текучесть или разру­шение.

Заедание наблюдается в случае, когда на две скользящие друг по другу поверхности действуют такие нагрузки и температуры, а скорость скольжения, смазка и условия окружающей среды тако­вы, что в результате значительной пластической деформации шеро­ховатостей поверхностей, их сваривания, отламывания и царапающего действия происходит существенная деструкция поверхности и перенос металла с одной поверхности на другую. Заедание можно считать очень интенсивным процессом адгезионного износа. Когда указанные процессы приводят к значительному ослаблению сое­динения или, наоборот, к схватыванию, говорят, что соединение разрушается в результате заедания. Схватывание является, по существу, интенсивным процессом заедания, при котором контак­тирующие детали практически свариваются и их относительное перемещение становится невозможным.

^ Разрушение отколом происходит, когда от поверхности детали самопроизвольно отделяется часть материала, в результате чего нормальная работоспособность элемента машины утрачивается. На­пример, бронеплита разрушается в результате откола, когда при ударе снаряда о наружную поверхность бронезащиты в плите возникают волны напряжений, приводящие к отколу с внутренней стороны части материала, которая сама становится смертоносным снарядом. Другим примером разрушения отколом может служить разрушение подшипников качения или зубьев шестерен вследствие описанного ранее явления поверхностной усталости.

^ Разрушение вследствие радиационного повреждения означает, что при радиационном облучении произошли такие изменения свойств материала, что деталь уже не может выполнить своих функ­ций. Обычно эти изменения связаны с потерей пластичности в ре­зультате облучения и служат причиной начала процесса разруше­ния того или иного вида. Эластомеры и полимеры обычно более подвержены радиационному повреждению, чем металлы, причем прочностные характеристики последних после радиационного об­лучения иногда улучшаются, хотя пластичность, как правило, уменьшается.

^ Разрушение выпучиванием наблюдается, когда при некоторой критической комбинации величины и (или) места приложения на­грузки, а также формы и размеров детали ее перемещения или про­гибы внезапно резко увеличиваются при малом изменении нагруз­ки. Такое нелинейное поведение приводит к разрушению выпучива­нием, если потерявшая устойчивость деталь уже не может выпол­нять своих функций.

^ Разрушение вследствие выпучивания при ползучести происхо­дит, когда по истечении некоторого времени в результате процесса ползучести возникает неустойчивое состояние, т. е. нагрузки и геометрические параметры детали становятся такими, что теряется устойчивость и происходит разрушение.

^ Разрушение в результате коррозии под напряжением наблюда­ется, когда действующие напряжения приводят к возникновению локальных поверхностных трещин, располагающихся обычно вдоль границ зерен, в детали, находящейся в коррозионной среде. Часто образование трещин инициирует начало процессов разрушения других видов. Разрушение в результате коррозии под напряжением представляет собой очень опасный вид коррозионного разрушения, поскольку ему подвержены многие металлы: Например, разнооб­разные чугуны, стали, нержавеющие стали, медные и алюминиевые сплавы подвержены коррозионному растрескиванию под напряже­нием в некоторых коррозионных средах.

^ Разрушение вследствие коррозионного износа является сложным видом разрушения, при котором неблагоприятные последствия коррозии и износа приводят совместно к потере работоспособности детали. В процессе коррозии часто образуются твердые абразивные частицы, которые ускоряют изнашивание, а в процессе изнашива­ния в свою очередь с поверхности постоянно удаляются защитные слои и обнажается свежий металл, что ускоряет коррозию. Взаимное влияние этих процессов друг на друга существенно повышает опас­ность разрушения.

^ Коррозионная усталость представляет собой сложный вид раз­рушения, при котором совместно сказываются неблагоприятные эффекты коррозии и усталости, приводящие к разрушению. В про­цессе коррозии на поверхности металла часто образуются ямки, служащие концентраторами напряжений. В результате концентра­ции напряжений процесс усталостного разрушения ускоряется. Кроме того, трещины в хрупком слое продуктов коррозии служат зародышами усталостных трещин, распространяющихся в основ­ной металл. С другой стороны, в результате действия циклических напряжений или деформаций происходит растрескивание и от­слаивание продуктов коррозии, т. е. открывается доступ коррози­онной среде к свежему металлу. Таким образом, оба процесса уско­ряют друг друга, и опасность разрушения может быть очень боль­шой.

^ Разрушение вследствие ползучести с усталостью является видом разрушения, происходящего в условиях, вызывающих одновремен­но и усталость, и ползучесть. Взаимодействие процессов ползучести и усталости изучено пока недостаточно, но, по-видимому, оно синергично.

Еще одна распространенная классификация – классификация Я.Б.Фридмана. Первый классификационный признак в этой таблице – характер силового воздействия – является наиболее формальным, но в то же время он достаточно четко делит процессы разрушения на несколько видов, которые следует рассматривать раздельно. В пределах каждого из этих видов разрушения, конечно, необходимо подразделение по другим используемым в классификации признакам. Так, кратковременное однократное статическое разрушение может быть хрупким и пластическим (вязким), соответственно может изменяться ориентировка макроскопической поверхности разрушения и размер зоны пластической деформации. Трещина может проходить преимущественно по телу или, наоборот, по границам зерен; могут быть зафиксированы различные стадии процесса (начальное, развитое, полное разрушение), возможно одновременное воздействие среды и т.д.

Возможны и другие классификации видов разрушения.


Классификационный признак

Разрушение

Характер силового воздействия:

 нагрузка в основном монотонно из­меняется, периода постоянной на­грузки нет или, он мал относительно периода разрушения

 период неменяющейся нагрузки со­измерим с периодом разрушения

 нагрузка периодически и многократ­но изменяется в процессе разру­шения


Кратковременное одно­кратное статическое


Длительное однократное статическое и замедлен­ное

Усталостное

Ориентировка макроскопической поверх­ности разрушения при разных способах. нагружения (растяжение, изгиб, сжатие, кручение, вдавливание и т. п.):

 макроскопическая поверхность раз­рушения перпендикулярна направ­лению +max или +max при крайне малом пластически деформирован­ном объеме в зоне разрушения

 поверхность наклонена под углом примерно 45° к направлению +max



Отрыв


Срез

Локальность разрушения, оцениваемая по соотношению размеров разрушаемой зоны и структурных элементов

Субмикроскопическое третьего рода; микроско­пическое второго рода; макроскопическое перво­го рода

Пластическая деформация, предшествую­щая разрушению

Хрупкое; макрохрупкое, но микропластическое; пластическое

Структурное расположение поверхности разрушения

Внутрикристаллитное; межкристаллитное; сме­шанное

Степень развития разрушения

Начальное – поверхность трещины значительно меньше площади сечения тела; развитое, в том числе полное

Влияние внешней среды

Вызванное понижением поверхностной энергии (наличие легкоплавких покрытий); вызванное коррозией; связанное с облучением

  1. ^ Механизмы, микромеханизмы, карты разрушения

Во всех случаях процессы повреждения и разрушения определяются материалом, напряженно-деформированным состоянием и средой. Необходимо идентифицировать микромеханизмы, способные вызвать разрушение, и определить области температур и напряжений, в которых эти механизмы действуют.

В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения: 1) отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием касательных напряжений.

В таблице (рис. 21) представлены соответствующие схемы для ряда испытаний.




Рис. 21. Схемы разрушения путем отрыва и среза

при различных механических испытаниях (по Я.Б.Фридману)


Для чистого железа, ферритных и аустенитных сталей, тугоплавкой керамики, а также льда можно выделить семь основных микромеханизмов разрушения: 1) раскол (cleavage), тип 1; 2) раскол, тип 2; 3) раскол, тип 3; 4) вязкое разрушение; 5) разрушение в результате внутризеренной ползучести (transgranular creep fracture); 6) разрушение в ре­зультате межзеренной ползучести (intergranular creep fracture); 7) плас­тический разрыв (rupture).

При особых обстоятельствах существуют еще два микромеханизма разрушения: динамический и диффузионный.

Важнейшей задачей является установление доминирующего механиз­ма при статическом или динамическом нагружении, особенно при одно­временном воздействии временных и циклических процессов, что, на­пример, типично для суперпозиции ползучести и усталости. Все детали и конструкции в целом содержат некоторые геометрические дефекты, например, пустоты (поры), маркировочные знаки и т.д. Все они вызы­вают концентрацию напряжений при нагружении.

В таких локальных областях зарождаются и начинают расти микро­скопические дефекты. С другой стороны, большие трещины могут за­рождаться уже в процессе обработки, например, при сварке из-за непроваров или возникновения остаточных напряжений. В результате, когда конструкция или деталь, содержащая такие врожденные дефекты, под­вергается нагружению, материал в области вершины трещины испыты­вает значительные деформации и трещины начинают распространяться по одному из микромеханизмов, которые будут подробно рассмотрены ниже.

Следует отметить, что чистота материала, вариации легирования, про­цесс изготовления, размер зерна, текстура лишь незначительно влияют на границы областей разрушения, показанные на прилагаемых картах механизмов. Конструкторы должны, помимо прочего, иметь в виду, что при прогнозировании долговечности и поведения реальных деталей на основе результатов лабораторных испытаний особое внимание следует удалять информации о режимах, так как, например, при высоких напря­жениях и температурах активны одни механизмы, а при низких – дру­гие. Также необходимо учитывать возможность независимого накоп­ления двух видов повреждений в случае суперпозиции процессов, зави­сящих от времени и циклического нагружения.

Механизмы разрушения. Разрушение (Separation) материала происходит в результате зарожде­ния и роста (или увеличения числа) дефектов типа дислокации, пор и трещин. Эти дефекты могут приводить к хрупкому или вязкому разру­шению, усталости, разрушению в процессе ползучести, причем в одних случаях разрушение носит межзеренный, а в других – внутризеренный характер. Поэтому весьма важно уметь выделить доминирующий меха­низм.

На рис. 22 показан широкий спектр механизмов разрушения при низких и высоких температурах – от чисто хрупкого до чисто пласти­ческого.




Рис. 22. Классификационная схема механизмов разрушения:

^ 1 - раскол; 2 - хрупкое межзеренное разрушение; 3 - вязкий рост пор;

4 -внутризеренный рост пор; 5 - межзеренный рост пор; 6 - разрыв в результате пластического сужения или среза; 7 - межзеренная ползучесть; 8 - порообразование;

9 - клиновидные трещины; 10 - рост пор но механизму степенной ползучести;

^ 11 -разрыв в результате сужения при динамическом возврате или рекристаллизации.


В области низких температур (Т < 0,25 Тпл) пластическое течение больше зависит от напряжения, чем от времени. При высоких температу­рах на деформацию в основном влияют температура и время, домини­руют процессы ползучести.

^ Хрупкое поведение. Хрупкое разрушение может происходить либо по телу зерна (раскол), либо по границам зерен. В этих случаях разрушаю­щее напряжение ниже предела текучести материала.

По мере повышения температуры и снижения напряжения течения возникает пластическая деформация, но разрушение может быть свя­зано только с микропластическими явлениями – образованием пор или клиновидных трещин, которые затем распространяются по границам зерен. Эти процессы требуют для своего развития значительного време­ни, и поэтому такой тип хрупкого поведения рассматривается как межзеренное разрушение при ползучести.

^ Пластическое поведение. При низких температурах могут быть опера­тивны несколько систем скольжения, что особенно характерно для ме­таллов с г-ц.к.-решеткой – Ag, Au, Pt, Al, Cu, Pb. В этом случае раскол становится невозможным и разрушение происходит за счет разрыва в результате сужения поперечного сечения до нуля при образовании шейки (сужение до точки, necking) или сдвига (сужение до лезвия, shearing off). При высоких температурах могут иметь место динамический возв­рат или рекристаллизация, которые приводят к накоплению деформаций и окончательному разрушению в результате уменьшения сечения, несу­щего нагрузку.

^ Переходная зона. Между двумя описанными крайними случаями хрупкого и вязкого разрушения возможны различные случаи ограничен­ного пластического течения, которое вызывает рост внутризеренных или межзеренных пор.

Микромеханизмы. На представленных ниже картах показаны области, в которых доми­нирует тот или иной микромеханизм. По осям этих карт откладывается нормализованная (по Тпл температура и нормализованные (по модулю нормальной упругости Е, соответствующему температуре) напряжения.

За верхнюю границу напряжения принимается идеальная (теорети­ческая) прочность материала, примерно равная 0.1Е.

Рассматриваемые далее границы действия механизмов являются до­вольно условными, так как во многих случаях одновременное действие нескольких механизмов приводит к разрушению по смешанному типу.
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