Деформация и разрушение

Во всех заготовках и деталях под действием нагрузок возникают напряжения, приводящие в свою очередь, к деформации – изменению размеров и формы тел. Напряжения s рассчитывают как отношение нагрузки P в данный момент времени к исходной площади сечения образца F₀: s = P / F₀.

При небольших напряжениях возникает упругая деформация, исчезающая после снятия нагрузки. При напряжениях, превышающих некоторый предел, возникает пластическая деформация, приводящая к необратимым изменениям формы и размеров тела. Эти виды деформации принципиально отличаются по своей физической природе. При упругой деформации происходит обратимое смещение атомов в кристаллической решетке, но сами кристаллы не разрушаются, заметных остаточных изменений в структуре и свойствах материала не происходит. При пластической деформации необратимо изменяется структура и свойства металла, т. к. происходит серия сколов по плоскостям кристаллической решетки, взаимное смещение и поворот частей кристаллов. При большой степени деформации возникает преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей и напряжений в металле, зерна вытягиваются до волокнистой структуры. Такая структура получила название – текстура деформации.

Величина напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации зависит, главным образом, от температуры: с повышением температуры она значительно снижается. Этот эффект широко используется в технике при обработке металлов давлением – горячая пластическая деформация является более распространенной, чем холодная.

Напряжения, возникающие при воздействии нагрузки и вызывающие упругую и пластическую деформацию, могут частично сохраняться в изделии или заготовке в виде остаточных напряжений. Значительные остаточные напряжения возникают в поверхностном слое металлических изделий при их механической обработке резанием, в отливках после окончания кристаллизации, при неравномерном нагреве заготовок во время термообработки. В ряде случаев они создают дополнительные проблемы при эксплуатации деталей, т. к. суммируются с рабочими напряжениями. В этих случаях остаточные напряжения удаляются с помощью специальной термической обработки – отжига.

Изучению механизма разрушения различных материалов и конструкций в настоящее время уделяют очень большое внимание, т. к. знание механизма разрушения позволяет более грамотно рассчитывать конструкции и определять их работоспособность. Установлено, что существуют два основных механизма разрушения – хрупкое и вязкое разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем скола в кристаллах по определенным плоскостям и отрыва частей кристаллов без предварительной пластической деформации. Разрушение обычно начинается от какого либо дефекта, вблизи которого возникает концентрация напряжений. Такими дефектами являются внутренние микротрещины или наружные поверхностные надрезы. В процессе сколов и отрывов формируется магистральная трещина, которая растет со скоростью, достигающей, приблизительно, 0,4 скорости звука – иначе говоря, разрушение происходит практически мгновенно. Высокая скорость возможного разрушения и отсутствие предшествующей пластической деформации делают хрупкое состояние металла крайне нежелательным при использовании для ответственных деталей и конструкций.

Хрупкий внутризеренный излом легко распознать по наличию фасеток. Фасетки – это плоские поверхности, образующиеся в результате сколов в пределах отдельных зерен – кристаллитов. Излом имеет металлический блеск. Фасетки не являются идеально гладкими. Так как скол распространяется по нескольким параллельным плоскостям скольжения, то разрыв между этими плоскостями образует ступеньку, система ступенек образует ручьистый узор (рис. 1.5, а). Если границы зерен ослаблены, то в материале развивается хрупкое межзеренное разрушение. Излом называют камневидным, фасетки в этом случае сглажены, ручьистый узор отсутствует (рис. 1.5, б).

Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация. В процессе ее образуются микропоры, которые растут, соединяются между собой и, в конечном счете, формируется магистральная трещина, приводящая к разрушению изделия. Благодаря такому механизму вязкого разрушения трещина развивается значительно медленнее, чем при хрупком разрушении.

Вязкий излом имеет ямочное строение и матовую поверхность, без металлического блеска (рис. 1.5, в). Границы зерен в строении излома не видны.

Хрупкое или вязкое разрушение происходит под действием статических или динамических (ударных) нагрузок. Но многие детали машин и элементы конструкций работают в условиях вибрационных знакопеременных нагрузок, когда цикл «сжатие–растяжение» многократно повторяется. В этом случае, на поверхности детали зарождается и начинает постепенно развиваться трещина. Рабочее сечение детали постепенно уменьшается, а затем происходит быстрое разрушение детали – долом. Этот процесс называется усталостью металлов, а излом – усталостным. Для него характерным является наличие двух зон: сглаженной зоны роста усталостной трещины и зоны долома по хрупкому или вязкому типу разрушения (рис. 1.5, г). Усталостное разрушение является

наиболее распространенным видом разрушения для ответственных деталей машин и конструкций. Инженерная практика показывает, что усталость ответственна примерно за 50 – 80 % случаев аварийных разрушений, в первую очередь в авиационной технике.

а) б) в) г)

Рис. 1.5. Хрупкий фасеточный излом (а), камневидный излом (б), вязкий ямочный излом (в), усталостный излом (г): 1 – зарождение трещины; 2 – рост трещины;

3 – зона долома

Факторы, влияющие на характер излома – это скорость нагружения, температура испытаний, структура материала. Чем выше скорость нагружения при испытаниях, тем выше опасность хрупкого разрушения. Понижение температуры также влечет за собой переход от вязкого к хрупкому типу разрушения, это свойство называют хладноломкостью. Температуру вязко-хрупкого перехода, при которой в изломе образца наблюдается 50 % площади излома хрупкого типа и 50 % – вязкого типа, называют порогом хладноломкости. Тип кристаллической решетки определяет многие свойства материалов, так металлы с ОЦК решеткой W, Mo, Cr, a-Fe менее пластичны, чем металлы с ГЦК решеткой Cu, Al, Ni. Размер зерна металла имеет важное значение для сопротивления хрупкому разрушению: измельчение зерна существенно понижает температуру вязко-хрупкого перехода.

Дата добавления: 2014-01-07