Переход от хрупкого разрушения к вязкому

Один и тот же материал, в зависимости от условий деформации, может разрушаться или по хрупкому или по вязкому механизму. Характер разрушения зависит от влияния различных факторов как связанных, так и не связанных со свойствами материала.

К внешним факторам относятся такие, как

- температура;

- вид концентратора (надреза);

- условия и скорость нагружения;

- характер среды;

- форма и размер детали.

К внутренним факторам относятся

- тип кристаллической решетки;

- химический состав;

- структура и размер зерна, зависящие от технологии.

Влияние температуры хорошо иллюстрируется схемой, предложенной А.Ф. Иоффе и развитой Давиденковым.

Согласно этой схеме смена одного вида разрушения другим определяется соотношением предела текучести σ_Т и разрушающим соотношением разрыва σ_отр. Т_кр – критическая температура хрупкости. Область А на графике соответствует хрупкому разрушению (σ_отр меньше σ_Т), область В – вязкому разрушению (σ_отр больше σ_Т).

Недостатком данной схемы является сложность и недостоверность определения сопротивления отрыву, величину которого можно приближенно считать равной

,

где G – модуль сдвига;

γ_S – удельная поверхностная энергия;

k – постоянная материала;

d – средний диаметр зерна.

С уменьшением температуры предел текучести σ_Т возрастает, а σ_отр от температуры зависит в меньшей степени. Вместе с тем схема наглядна и хорошо описывает феноменологию хрупко-вязкого перехода.

Большинство металлов при понижении температуры имеют тенденцию к хрупкому разрушению. С повышением температуры возрастает вязкость разрушения.

Еще раз покажем смысл перехода вязкого разрушения в хрупкое на совмещенной диаграмме.

На температурной зависимости показателя пластичности металлов выделяется интервал температур перехода от хрупкого разрушения к вязкому (от «нулевых» показателей пластичности к значительным). Вместо Δ Т_хр (интервала) используют только одну температуру хрупко- вязкого перехода, чаще температуру, соответствующую середине перехода Т_хр.

Зона А характеризуется низкими значениями сопротивления отрыву и более высокими напряжениями σ_Т – в данном случае наблюдаем хрупкое разрушение.

По мере увеличения нагрузки напряжения в металле возрастают и в первую очередь достигают значения σ_отр. При достижении уровня напряжений, равных σ_отр, материал разрушается хрупко, без предварительной пластической деформации. С ростом температуры напряжения σ_Т и σ_отр уравниваются, т. е. достигается интервал хрупко-вязкого перехода.

С дальнейшим повышением температуры напряжения σ_Т становятся меньше. Выше температуры Т_В вначале наблюдаем пластическую деформацию, а затем разрушение. Зона В – зона вязкого разрушения металла.

В практике интервал хрупко-вязкого перехода обозначается температурами Тн и Тв, иногда температурой Т50. Т50 – температура, при которой в изломе наблюдается 50% участков вязкого разрушения. Разница между температурой эксплуатации и Т50 называется запасом вязкости.

.

Металлы и сплавы, у которых Т_хр > Т_комн называются хладноломкими (.Т_комн – комнатная температура). Хладноломкость – наиболее острая проблема для металлов с ОЦК-решеткой. Чем выше значение χ, тем меньше опасность хрупкого разрушения.

Склонность материалов к хрупкому разрушению оценивается при динамических испытаниях на ударную вязкость по величине работы, затрачиваемой на разрушение образца. Испытания проводят в интересующем интервале температур. Вторая диаграмма соответствует изменению ударной вязкости а_Н при изменении температуры испытаний.

Подобные испытания при комнатной температуре вы проводили, наверное, при изучении курса «Сопротивление материалов».

Т_хр не является константой материала. Она зависит от структуры и от условий испытаний. Чем жестче схема испытания (меньше доля касательных напряжений) и больше скорость деформации, тем выше Т_хр. Чем выше качество поверхности, тем ниже Т_хр. У пластичных по своей природе материалов перехода в хрупкое состояние при мягких схемах напряженного состояния трудно добиться вплоть до абсолютного нуля. В таких материалах Т_хр удается определить только при использовании жестких, в частности динамических, испытаний образцов с надрезом. Таким образом сравнение Т_хр различных материалов имеет смысл только в случае идентичности условий определения этой температуры.

Дата добавления: 2014-01-05