ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Микромеханизм разрушения кристаллических тел из "Прикладные задачи термопрочности элементов конструкций (БР) " Конструкционные материалы разделяют на хрупкие и пластичные в связи с характером их разрушения и величиной пластической деформации, накопленной к моменту разрушения. Но характер разрушения не определяется однозначно свойствами материала, а зависит от вида напряженного состояния и от истории нагружения. Например, известны эксперименты с образцами из мрамора [40], когда при одноосном сжатии разрушение носит хрупкий характер, а при дополнительном наложении всестороннего сжатия разрушение происходит после большой пластической деформации. В то же время металлы, которые в условиях одноосного растяжения имеют большие удлинения при разрыве, при напряженном состоянии, близком к всестороннему растяжению, разрушаются практически без заметной пластической деформации. [c.116] Если разрушение происходит после заметной по значению пластической деформации, то его называют вязким [39[. Вязкое разрушение растягиваемого образца кристаллического материала связано с уменьшением поперечного сечения и ростом истинных напряжений до тех пор, пока процесс равномерного неупругого деформирования перестанет быть устойчивым. Тогда у образца образуется шейка, в зоне которой возникает напряженное состояние типа всестороннего )астяжения, появляется трещина и происходит разрыв образца [27 ]. 1ри распространении трещины в металлах пластическая деформация локализована в зоне острого края трещины. Поэтому непосредственно процесс распространения трещины не приводит к заметному росту пластической деформации образца в целом. [c.116] Напряженное состояние типа всестороннего растяжения можно создать в растягиваемом образце искусственно, например, путем острого надреза, имитирующего край трещины. Тогда такой образец может разрушиться при наличии лишь локальных пластических деформаций в зоне надреза. Этот вид разрушения следует отнести к хрупкому, а точнее — к квазихрупкому [30]. [c.116] При любом виде разрушения кристаллических тел условия его протекания связаны с процессами образования и развития трещин. [c.116] Микромеханизм зарожденйя трещин может быть различным. Одна из причин возникновения микротрещин — это образование скоплений вакансий. [c.117] Этот механизм может действовать даже при отсутствии внешней нагрузки. Вакансии вследствие диффузионного движения стремятся объединиться в дискообразные скопления. Такое скопление в частном случае можно представить как замкнутую петлю краевой дислокации (рис. 2.41). [c.117] Источником зарождения микротрещин в кристаллах служат также скопления дислокаций в плоскостях скольжения перед препятствиями (см. 2.5). Каждая отдельно взятая краевая дислокация может рассматриваться как потенциальный источник образования микро-трещины. Действительно, лишний слой атомов, вдвинутый в кристаллическую решетку, как бы расклинивает ее, вызывая напряженное состояние типа всестороннего растяжения (см. рис. 2.11), которое способствует разрыву межатомных связей н раскрытию микротрещины. В скоплении перед препятствием (рис. 2.42, а) поля напряжений от всех дислокаций суммируются. При значительных внешних касательных напряжениях т число дислокаций в скоплении может стать настолько большим, что растягивающее напряжение в зоне перед препятствием превысит теоретическую прочность кристаллической решетки (см. 2.1), произойдет разрыв межатомных связей и образуется клиновидная микротрещина (рис. 2.42, б). Тогда дислокации в скоплении получат свободу перемещения и часть их, дойдя до края трещины, выйдет на образовавшуюся свободную поверхность, вызвав раскрытие микротрещины в результате сдвига частей кристалла, расположенных выше и ниже плоскости скольжения. [c.117] Примесей следует ожидать Прй прочих равных условиях зарождение микротрещин с меньшими значениями L. [c.118] Наряду с рассмотренным предложено достаточно много других дислокационных механизмов образования микротрещины, причем некоторые из них имеют прямое экспериментальное подтверждение. Некоторое увеличение объема кристаллических тел при пластическом деформировании (пластическое разрыхление) косвенно подтверждает дислокационный механизм зарождения микротрещин, так как сама по себе пластическая деформация кристаллов не вызывает изменения объема. Это увеличение объема снимается при термической обработке благодаря релаксации внутренних напряжений в скоплениях дислокаций и захлопыванию микротрещин. [c.118] Вся трудность практического приложения теории Гриффитса состоит в определении поверхностной энергии S. Эта теория дает хорошее совпадение с экспериментом для стекла и других аморфных материалов, которые можно рассматривать как затвердевшие жидкости. В таких материалах, являющихся в обычных условиях хрупкими, развитие трещины не вызывает пластических деформаций в зоне ее острого края. Поэтому в качестве S молено принять энергию поверхностного натяжения. [c.119] Хорошее совпадение теории с экспериментом также следует ожидать для кристаллических материалов, у которых при распространении трещины происходит расщепление кристаллической решетки без заметной пластической деформации. К таким материалам относятся кристаллические тела без дефектов (в частности, без дислокаций), а также жаростойкие неметаллы, имеющие кристаллы с ионной или валентной связью (например, Al. Oa, Si , 31з1Ч4). В этом случае значение S можно оценить как работу расщепления кристаллической решетки, т. е. разрушения межатомных связей. Эта работа пропорциональна энергии взаимодействия атомов в кристаллической решетке в точке перегиба кривой на рис. 2.1, если эту энергию отсчитывать, от минимального значения в положении равновесия при г = г . [c.119] В кристаллах металлов при распространении трещины в зоне ее острого края возникает область пластической деформации. Эта область при развитии трещины движется вместе с ее краем. Поэтому все новые объемы материала пластически деформируются, а затем разгружаются. При этом совершается необратимая работа, которая существенно увеличивает общую поверхностную энергию S, но теоретически определить эту величину для металлов довольно трудно, ешающее слово в выяснении этого вопроса принадлежит эксперименту со стандартизованными образцами с надрезами и заранее созданными трещинами фиксированных размеров, в котором значение S может быть определено как константа для данного материала [40]. [c.119] Л ах металлов при пониженной температуре протекает с менее развитой пластической деформацией, уменьшается 5 и при заданном значении а согласно (2.83) падает L p, т. е. могут ожить и начать развиваться более мелкие трещины. Даже при одноосном растяжении металлический обр азец в условиях низких температур может разрушиться (проявить хладноломкость) еще до появления заметных пластических деформаций. В меньшей мере хладноломкости подвержены металлы с ГЦК решеткой (например, медь, алюминий и сплавы типа твердых растворов на их основе), так как в кристаллах этого типа много систем скольжения и они сохраняют высокую пластичность и при низких температурах. [c.120] При дальнейшем повышении температуры на разрушение металлов начинает влиять время процесса нагружения. Вследствие диффузии дефектов кристаллической решетки (в частности, диффузии вакансий к краям микротрещин и к поверхностям пор на границах зерен и включений примесей) трещины и поры, для которых L будут расти во времени, пока их размер не превысит критический и процесс разрушения не начнет быстро прогрессировать. С ростом температуры скорость диффузионных процессов также растет (см. 2.5) и при постоянной нагрузке время до разрушения образца уменьшается. При заданной температуре большим напряжениям F согласно (2.83) соответствуют меньшие значения L p, т. е. необходимое условие разрушения L выполняется за более короткий период нагружения. [c.120] Влияние температуры на сопротивление усталости зависит от многих факторов и неоднозначно для различных металлов и сплавов. С повышением температуры на микромеханизм образования и роста усталостных трещин накладываются диффузионные процессы, особенно в зоне границ зерен и включений примесей. Микромеханизм усталостного разрушения кристаллических тел существенно усложняется в случае переменных тепловых воздействий (тепло-смен), когда взаимодействуют процессы циклического упрочнения материала, повышающее его долговечность, и процессы термического разупрочнения и накопления повреждений при повышенных температурах. [c.121] Вернуться к основной статье