3.11. Виды и механизмы разрушения.

3.11.1 Взаимосвязь процессов деформаций и разрушения.

При установлении характера разрушения необходимо выделить определяющий фактор, за который удобно принять степень пластич­ности, реализованную к моменту разрушения. При этом различается хрупкое, квазихрупкое и вязкое разрушение. Любое разрушение свя­зано с пластической деформацией. Считается , что пластической де­формации принадлежит ведущая роль как в случае вязкого вязкого, так и в случае хрупкого разрушения, так как оба вида разрушения различаются только по степени локализации пластической деформа­ции.

В конечном итоге разрушение связано с образованием и распро­странением трещин.

Образование трещин является механизмом релаксации локаль­ных напряжений в условиях, когда релаксация напряжений путём пластической деформации оказывается невозможной.

Различают три вида основных видов трещин (рисунок 3.12):

Рисунок 3.12 – Схема основных форм трещины:

а – пора;б – уп­ругая трещина;в – дислокационная трещина.

1.Пора, представляющая собой объём, ограниченный сво­бодными поверхностями с отношением:

В₁/С В₂/С, где С – длина по­ры.

2.Упругая трещина, представляющая собой разрез тела ко­нечной длины вдоль какой–либо плоскости с соотношением параметров:

B₁/C = B₂/C = 1, где C – длина трещины.

3.Дислокационная трещина, представляющая собой один возможных видов ядра дислокаций с большим вектором Бюргерса.

Дислокационная трещина и поры требуют для своего возникновения предварительной деформации, которая создаёт избыточную концентрацию дислокаций или вакансий в локальных объёмах. Известен ряд моделей зарождения таких трещин (рисунок 3.13).

Модель Зинера – Стро (рисунок 3.13а) предполагает скопление дислокаций у прочных препятствий, их слияние у головы скопления и, как результата, образование трещины.

Модель Коттрела (рисунок 3.136) не требует наличия какого–либо барьера. Скопление дислокаций может происходить при пересечении полос скольжения.

Могут иметь место и более сложные случаи, когда трещина образуется при наличии нескольких скоплений дислокаций в параллельных плоскостях

(рисунок 3.13в).

Считают, что образование микротрещин размером 10^-5 см, является элементарным актом разрушения. Дальнейшее поведение микротрещины сильно зависит от характера дислокационной структуры.

Рисунок 3.13 – Дислокационные модели зарождения микротрещин:

а – модель Зинера – Стро;

б – модель Коттрела;

в – модель встречных скоплений;

1 – трещина;

2 – дислокация.

В общем случае, в зависимости от условий нагружения и исходного состояния материала, можно выделить несколько механизмов роста микротрещин:

а) хрупкий – путём разъединения атомных плоскостей в вершиш трещины;

б) пластический – в результате коррелированного поглощение щслокаций разных систем скольжения;

в) вязкий – благодаря поглощению микроскопических пор.

Механизм распространения трещин предопределяет вид излома.

3.11.2 Структура и усталостное разрушение изделий.

Установлено, что многократное приложение нагрузок вызывает разрушение деталей машин и элементов конструкций при напряжени­ях значительно меньших, чем в случаях их однократного разрушения. Это явление получило название усталости металлов.

Нагрузки, изменяющиеся во времени, принято называть цикли­ческими или усталостными нагрузками, а соответствующие им на­пряжения - циклическими или усталостными. Нагрузка может быть нерегулярной, хаотичной, вообще говоря, случайной или подчинять­ся определённому правилу. В этом случае говорим о неустойчивом или устойчивом характере нагружения.

Для усталости характерен транскристаллический тип трещин в отличии от межкристаллитной при длительном статическом разрыве.

Критерий, характеризующий сопротивление материала устало­стному разрушению называется пределом выносливости. Пределом выносливости называется наибольшее напряжение цикла, которое может выдержать материал без разрушения при весьма большом (ус­ловно задаваемом ) числе циклов напряжений N_o, называемом базой (для сталей обычно база принимается 10⁷ циклов, а для лёгких сплавов 5-10x10⁷ циклов). Сопротивление усталости зависит от типа напря­жённого состояния и от характера нагрузок.

Зависимость = f(t) предполагается периодической с периодом равным Т; циклом напряжений называется однократная их смена, со­ответствующая полному периоду их изменения.

Сопротивление усталости при переменных напряжениях зависит от характера изменения напряжений во времени (рисунок 3.14).

Цикл напряжений характеризуется следующими величинами:

Небольшим напряжением цикла _мах или _мах, которое находит­ся как наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла. Среднее напряжение цикла _м или _м определяются выражением:

;

а амплитуда цикла определяется выражением:

;

Кроме указанных, характерным параметром является также ко­эффициент асимметрии цикла r, определяемый отношением наи­меньшего напряжения к наибольшему

или

Рисунок 3.14 – Схема изменения напряжений во времени:

а – симметричный цикл; б – пульсирующий цикл; в – асимметричный цикл.

В расчётах используются пределы выносливости, определяемые для различной асимметрии цикла

- пределы выносливости при симметричном цикле;

- пределы выносливости при пульсирующем цикле;

- пределы выносливости при асимметричном цикле.

Разрушение металлов при базовом числе циклов 10⁶ -10⁷ носит название многоцикловой усталости. На рисунке 3.15 показана типич­ная усталостная кривая.

Известно, что если в испытаниях заданной переменной величи­ной является напряжение (мягкий пежим), то левая наклонная ветвь усталостной кривой характеризуется обычно большим разбро­дом экспериментальных результатов.

Рисунок 3.15 – Полная усталостная кривая Велера в логарифми­ческих координатах:

I – малоцикловая область; II – область ограниченной долговечности;

III – область постоянной прочности.

Это происходит потому, что в данном диапазоне максимальное напряжение цикла обычно выше предела текучести материала и в об­разце создаются нестабильные условия в следствии пластического те­чения. Область до 10⁴ циклов перемен нагрузок. Если за переменную величину взять деформацию

(жёсткий режим), то результаты испы­таний становятся значительно стабильнее. На рисунке 3.16 показаны характерные кривые малоцикловой усталости для углеродистой, с по­вышенным содержанием марганца и высоколигированных сталей. Как отмечается для двух материалов сопротивление разрушению в диапазоне малоцикловой усталости может быть противоположным по сравнению с сопротивлением усталости этих материалов при большем числе циклов.

Повышение температуры, как правило, понижает циклическую прочность металлов. Наиболее сильно влияют на прочность высокие температуры, когда происходит суммирование повреждений от усталости и ползучести.

Рисунок 3.16 – Кривые малоцикловой усталости трёх классов стали:

1 – углеродистых;2 – высоколегированных; 3 – низколегированных.

3.11.3 старение и разрушение материалов, обусловленных явлениями ползучести и релаксации.

Ранее уже указывалось на значительное влияние температурного фактора, на поведение конструкционных материалов, находящихся в напряжённом состоянии.

Напряжения и деформации, возникшие при нагружении деталей в условиях высоких температур, изменяются во времени, даже если нагрузки остаются постоянными. Это явление называется ползуче­стью материала. Изменение во времени деформаций носит название собственно ползучестью или последствием, а изменение во времени напряжений - релаксацией.

Ползучесть материалов.

Для конструкционных материалов ползучесть наблюдается обычно выше 300°С в зависимости от марки материала. Явлению пол­зучести подвержены такие узлы и детали нефтепереработки, как на­гревательные трубчатые печи, реакторы и т.д. Необходимо отметить, что ряд материалов подвержены ползучести при сравнительно низких температурах и, даже при нормальных условиях. К таким материалам можно отнести некоторые виды пластмасс, резин, каучуков, свинец, алюминий и т.д.

Ползучесть различают при различных видах нагружения:

Кручения, растяжении – сжатия, изгибе, а также при сложном комплексном нагружении. Однако основным видом испытания материалов на ползучесть является испытание в условиях растягивающих нагрузок. Это связано с хорошей воспроизводимостью результатов испытаний.

При постоянном напряжении и при заданной температуре, вели­чина деформации образца с течением времени увеличивается

где - полная деформация образца;

_уп - упругая составляющая деформации;

_пл - пластическая остаточная составляющая деформа­ции.

График, характеризующий зависимость полной или пластиче­ской деформации при постоянной температуре и постоянном напря­жении, называется кривой ползучести. Типичная кривая материала представлена на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 – Схема кривых ползучести:

а – типичная кривая; б – семейство кривых при различных температурах .

При нагружении образца в первоначальный момент достигается упругая или упруго – пластическая деформация (участок ОА), а затем развиваются во времени деформации ползучести. Обычно различают три стадии ползучести

(рисунок 3.17а). Первая стадия (участок АВ) соответствует неустановившейся ползучести, когда скорость дефор­мации непрерывно уменьшается, стремясь к некоторой постоянной скорости, характеризующей вторую стадию – стадию установившей­ся ползучести (участок ВС). Третья стадия, предшествующая разру­шению, характеризуется увеличением скорости деформирования за счёт уменьшения сечения образца. При этом либо образуется шейка (вязкое разрушение), либо с течением времени появляются трещины внутри образца без заметных местных деформаций (хрупкое разрушение). В первом случае излом носит внутрикристаллитный характер и развивается при сравнительно низких температурах и больших ско­ростях деформирования. Во втором случае излом носит межкристаллитный характер и возникает при высоких температурах и относи­тельно низких скоростях деформирования. Таким образом, при повышении температуры при одном и том же времени до разрушения происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому. С другой стороны при одной и той же температуре вязкое разрушение сменяет­ся хрупким с увеличением времени до разрушения. Процесс потери пластичности во времени носит название охрупчивание .

На рисунке 3.17б показано семейство кривых, которые получе­ны при различных температурах в условиях постоянства напряжений.

Количественно ползучесть выражается скоростью , которую на­зывают скоростью деформации образца ( мм /мм ч )

Для сопоставления сопротивления ползучести различных мате­риалов введена условная характеристика, называемая пределом пол­зучести . Условным пределом ползучести называется напряжение, при котором деформация ползучести или скорость деформации за оп­ределённый промежуток времени при данной температуре не превы­шает определённой величины. Соответственно деформация в 1% за 10⁴ или 10⁵ часов и скорость ползучести 10^-6 или 10^-7 мм/мм ч . Если напряжения определяют по величине деформации, то условный пре­дел ползучести обозначают , если же скорости ползучести или .

Для примера приведём характеристики стали 20 при температуре 400 °С:

= 420 МПа, = 280 МПа, = 930 мм/мм ч, = 100 МПа при деформации в 1% за 10 часов.

Релаксация.

Релаксацией называется самопроизвольное снижение напряже­ний при высокой температуре в образцах при деталях при неизменной деформации, т.е.

На рисунке 3.18 приведена одна из характерных зависимостей простой релаксации напряжений .

В начальный момент пластическая деформация вообще может отсутствовать, тогда . При полной релаксации вся упругая де­формация перерастает в пластическую и .

Релаксация наиболее часто встречается при работе болтов или шпилек, пружин предохранительных клапанов, деталей посаженных с натягом и др.

Рисунок 3.18 - Кривые простой релаксации напряжений.

Пластическую деформацию можно определить через напряжения:

где - начальное напряжение в детали,

- напряжение в данный момент времени,

Е -модуль упругости.

При этом скорость пластической деформации приближённо (при соблюдении линейной зависимости) определится:

А скорость релаксации можно определить как:

Разделив два последних выражения, находим:

V_r/V_п = Е или V_r = Е V_пл