ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Рост трещин в металлах под действием водорода (теорий) из "Механика хрупкого разрушения " Отметим, Что для усталостных трещин при циклическом нагружении влияние влаги может оказаться также весьма существенным. Например, в опытах Хартмана и Шийве в некоторых случаях наблюдалось десятикратное увеличение скорости роста усталостных трещин под действием влаги. [c.366] Водород охрупчивает все металлы, всегда уменьшая их пластичность и прочность (причем чем больше концентрация водорода, тем меньше прочность). Например, в стали явление охрупчивания наблюдается уже при концентрации водорода 0,2 см на 100 г металла при нормальных условиях (I атом водорода на 10 атомов металла). В пять раз большая концентрация считается опасной. Существует нижняя граница температур водородной хрупкости эта граница совпадает с минимально возможной температурой хемосорбции. Например, у стали она равняется примерно —200 °С. После обезводораживания свойства металла полностью восстанавливаются, если только в металле не произошли необратимые структурные изменения. [c.367] Водород может поступать в металл не только путем физической адсорбции молекулярного водорода на поверхности металла, но и путем осаждения атомарного водорода Н+, который в чистом виде или связанный с нейтральными молекулами содержится, например, в растворах электролитов и воде. Кроме того, водород может выделяться при химических и электрохимических реакциях, происходящих на поверхности металла. Наиболее благоприятные условия для протекания процессов поглощения водорода имеются в конце трещины, на малом участке поверхности свежего металла, не покрытого защитной окисной пленкой. Поэтому влияние влаги и водорода наиболее существенно в процессе докритического роста трещины инкубационным период весьма существенно зависит от состояния поверхности гладкого образца, а при наличии надреза — от его остроты. [c.367] Капиллярной конденсацией объясняется также Р] характерное насыщение зависимости скорости роста трещины от относительной влажности при /(i = onst (рис. 149), Это же явление имеет место для усталостных трещин [ ]. [c.370] ВИД (см., например, рис. 150), причем энергия активации этого процесса близка к энергии активации процесса диффузии водорода в соответствующем металле р]. Величины /Сь и Ki see М6Н66 чувствительны к температуре, чем скорость роста трещины. [c.370] Хэнкок и Джонсон В их работе было проведено также, интересное исследование влияния малых добавок кислорода в различные сухие и увлажненные газы (водород, аргон, азот) на рост трещин в стали Н-11. [c.371] На рис. 152 и 153 изображены некоторые результаты этих экспериментов. Как видно, достаточно 0,6% кислорода, чтобы практически мгновенно остановить докритический рост трещин. [c.371] Ингибирующее действие кислорода в водородных и водных средах объясняется гораздо большей химической активностью пары кислород — металл по сравнению с парой водород — металл. [c.372] Отметим, что на полимеры влага оказывает иное действие по сравнению с металлами она обычно пластифицирует полимерные материалы. [c.372] Скорость роста трещины в стекле, находящемся во влажной среде, также хорошо коррелирует с коэффициентом интенсивности напряжений Р]. [c.373] В этом случае, очевидно, следует понимать как некоторое среднее (по множеству реализаций) описание процесса (т. е. среднее по многим образцам одинаковой геометрии, с одной и той же длиной трещины и из одного и того же материала). В этом смысле теория годится для любых трещин, в том числе, для микротрещин, длина или приращение длины которых сравнимы или гораздо меньше размера зерна (но гораздо больше межатомного расстояния). Применение теории к одной единственной реализации случайного процесса на основании эргодической гипотезы вполне законно в том случае, когда приращение длины трещины и сама эта длина значительно больше среднего размера зерна (распределение деформационных и прочностных характеристик материала от точки к точке можно считать стационарным случайным процессом). В том случае, когда длина трещины (или соответственно приращение длины) сравнима или гораздо меньше размера зерна, становится существенным статистический разброс. [c.374] Рассмотрим малую окрестность конца трещины в упругопластическом теле (рис. 157). [c.374] Обозначим через с концентрацию протонов (водорода), меняющуюся от точки к точке тела. Наибольшее значение концентрации, равное-Со, будет, очевидно, в вершине трещины (в точке О). На бесконечности концентрацию водорода будем считать равной нулю. [c.374] В связи с этим принципиально возможны следующие механизмы локального разрушения а) разрушение от внутренних сжимающих напряжений, б) разрушение охрупченной пластической области от внешней нагрузки, в) разрушение от растягивающих напряжений в упругой области. Во всех случаях развитие трещины будет скачкообразным, причем величина скачков определяется механизмом разрушения. При разрушении от сжимающих напряжений величина скачков будет малой по сравнению с раскрытием трещины 2vq,. так как максимальное ужимающее напряжение достигается на границе тела, в точке О поэтому при реализации первого механизма рост трещины можно считать непрерывным. [c.375] Охрупчивающее действие водорода проявляется лишь в пластической области, где влияние внутренних растягивающих напряжений минимально. Поэтому при разрушении по второму, диффузионному, механизму величина скачков будет гораздо больше 2vo, но меньше размера пластической области вдоль оси X. [c.375] Растягивающие напряжения в упругой области могут вместе с растягивающим напряжением от внешнего поля приводить к образованию локальных разрывов, расположенных на продолжении магистральной трещины. В этом случае величина скачков, очевидно, будет больше размера пластической области. [c.375] Указанные механизмы локального разрушения в конце трещины существенно зависят от значения концентрации Со в точке О чем больше Со, тем больше градиенты концентрации, тем ближе к точке О образуются локальные разрывы и тем меньше скачок магистральной трещины за один цикл процесса. При малой (но опасной) концентрации Со величина скачка может значительно превышать не только 2vo, но и размер пластической области. Теоретический анализ особенно прост в следующих трех предельных случаях а) величина скачка мала по сравнению с раскрытием трещины 2vq, б) величина скачка гораздо больше. 2vq, но меньше размера пластической области, в) величина скачка значительно больше размера пластической области вдоль оси X. Эти предельные случаи рассматриваются в дальнейшем. [c.375] Вернуться к основной статье