Хрупкое разрушение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Хрупкое разрушение

Критерий распространения трещин в кристаллических телах

Большинство экспериментов, подтверждающих теорию Гриффитса, проведено на аморфных материалах при невысоких температурах, что обеспечивало достаточно полное торможение пластической деформации.

Однако при переходе к металлам формула Гриффитса давала результаты, которые не соответствовали реальности. Возникло сомнение в возможности использования этой теории применительно к металлическим материалам, хотя их поведение при хрупком разрушении качественно не различается от поведения стекла.

Но количественно - либо получались нереально заниженные значения для определённых размеров трещин, либо - для известного напряжения - размеры трещин, значительно превышающие размеры опытных образцов.

Когда появилась возможность измерять очень высокие скорости движения трещин (например, методом скоростной киносъемки), были получены впечатляющие количественные результаты. Известный советский специалист в области разрушения В.М. Финкель приводит такие цифры. В хрупком металле трещина на докритической стадии процесса разрушения движется со скоростью порядка 1 мм/ч. После достижения критического размера за одну тысячную долю секунды, скорость распространения трещины увеличивается до значений порядка 10000 км/ч. Следовательно, ускорение на этапе разгона трещины - порядка 108 м/с2. Если бы пилотируемая космическая ракета развила такое ускорение, космонавт испытал бы десятимиллионную перенагрузку. Даже беспилотным кораблям далеко до таких скоростей. Отметим так же, что подобные события значительно чаще случаются в холодное время года.

Первым нашёл причину этого несоответствия венгерский физик Орован, один из основоположников теории дислокаций. Он доказал, что упругая энергия, которая высвобождается при росте трещины, расходуется не только образование новых поверхностей, но и пластическую деформацию.

Так как, около вершины трещины образуется большое напряжение, некоторый объём металла всегда будет пластически деформирован. При распространении трещины по кристаллу в зону высоких напряжений у её вершины будут возникать всё новые источники дислокаций, которые трещина заставит работать, что приведёт к увеличению плотности дислокаций. Когда трещина разорвёт металл, поверхность излома будет пластически деформирована. При хрупком разрушении металлов пластически деформируемый слой прилипающий к поверхности излома, существует всегда. Речь может идти не о его наличии или отсутствии, а только о его толщине. В зависимости от условий работы металлов (t. v - приложение нагрузки, габаритов изделия, и.т.д.) его толщина может меняться от долей микрометра до многих десятков микрометров.

Поскольку на пластическую деформацию затрачивается определённая работа, толщина слоя будет влиять на общие энергозатраты, связанные с разрушением. Чем быстрее бежит трещина, тем тоньше деформированный слой и тем в меньшей степени он деформирован, т.к. требуется некоторое время на приведение в действие дислокационных источников, они обладают определённой энергией.

Орован к величине формулы Гриффитса добавил ещё одно слагаемое - энергию которая затрачивается на пластическую деформацию (эффективная поверхностная энергия) слоя материала, прилегающего к новой поверхности

т.к. на 2-3 порядка больше , то первым слагаемым можно пренебречь и формулу Гриффитса-Орована записывают в виде:

разрушение двойникование хрупкий коттрелл

Величина не остаётся постоянной в течении всего процесса роста трещины. По мере разгона трещины она уменьшается. Однако даже в самых неблагоприятных условиях она остаётся выше . При скорости 24 км/с = (теоретически), но трещина с такой скоростью двигаться не может. Её предельная теоретическая скорость Ѕ V звука в металле, т.е. 2,5 - 3 км/с.

Механизмы зарождения хрупкого разрушения

Имеется много экспериментальных данных, подтверждающих, что хрупкому разрушению в кристаллических телах предшествует пластическая деформация, несмотря на это, что путь движения дислокаций непосредственно перед распространяющейся трещиной может быть небольшим.

Считается, что взаимодействие дислокаций ответственно за образование зародышей трещин. На этом основании был предложен ряд возможных механизмов, некоторые из которых нашли экспериментальное подтверждение.

Модель Стро-Мотта. Согласно этой модели образуется скопление скользящих дислокаций перед различного рода препятствиями (границы зёрен, субзёрен, включения и.т.д.), в результате чего возникает сильная локальная концентрация напряжений. В вершине дислокационного скопления может на несколько порядков превышать приложенное напряжение, в результате чего возможно слияние лидирующей дислокации скопления со следующей, т.е. образование зародышевой трещины. После обледенения двух первых дислокаций трещина начинает увеличиваться в размерах, т.к. давление слияния увеличивается. Число дислокаций в скоплении порядка ста. Такое количество дислокаций при выходе на поверхность кристалла образует ступеньку величиной порядка сотен ангстрем, что хорошо совпадает с экспериментальным результатом определения величины ступенек скольжения на ряде металлов.

Рис. 1. Образование трещины вследствие плоского скопления дислокаций

Рис. 2. Трещина, образованная скоплением дислокаций у границ зерна

Рис. 3. Схема образования трещины:

1 - скопление дислокаций; 2 - область образования трещины

Механизм Коттрелла

Разработан применительно к металлам с ОЦК решеткой, склонным к хрупкости при низких температурах, сходен с моделью Стро-Мотта. Однако в отличии от этой модели, препятствием, запирающим полосу скольжения по Коттреллу, является дислокация, образованная при пересечении дислокаций в плоскостях скольжения.

Рассмотрим взаимодействие двух пересекающихся плоскостей скоплений дислокаций, каждое из которых служит препятствием для другого.

Ведущие дислокации в этих двух скоплениях могут взаимодействовать друг с другом образуя дислокацию встречи, которая возникает на линии пересечения двух плоскостей скольжения одной системы и как бы запирает обе пересекающие плоскости.

Рис. 4. Слияние дислокаций, находящихся в двух плоскостях скольжения, приводящее к образованию микротрещины в той же плоскости скола

Рис. 5. Зарождение трещины в месте пересечения полос скольжения в кристалле MgO

Образовавшая дислокация представляет собой прочный барьер, тормозящий скольжение в пересекающихся плоскостях, что может привести к возникновения в этих плоскостях достаточно мощных дислокационных скоплений, способных образовать трещину.

Возникновение микротрещин в соответствии с механизмом Коттрелла наблюдали экспериментально в кристаллах окиси магния.

В соответствии с моделью Коттрелла образование микротрещин происходит в плоскости перпендикулярной оси растяжения. Это подтверждается экспериментальными данными. 85% микротрещин отклоняются не более чем на 15% от нормали к оси растяжения.

Рис. 6. Ориентация микротрещин на поверхности разрывных образцов крупнозернистого феррита после растяжения (8% при -140С)

Распространение трещин при хрупком разрушении

Практически в любом материале, как бы он ни был пластичен при статических испытаниях, может произойти хрупкое разрушение, если в нём при нагружении одновременно образуется множество активных дефектов - несовершенство кристаллической решётки (дислокаций).

Зарождение микротрещины по одному из механизмов - это лишь начало процесса разрушения. Для завершения его необходимо распространение трещины, которое вызовет полное разделение её поверхности по всему сечению нагружаемого образца. Таким образом, является заключительной стадией разрушения.

Трещина становится нестабильной и начинает распространяться, когда её длина превышает критическое значение, определяемое из уравнения Гриффитса. Скорость распространения трещины:

,

где С0 - скорость распространения упругих продольных волн в материале.

При такой скорости развития трещины, атомные связи у её вершины достигают значения за время одного периода колебаний атомов.

Таблица 1. Примеры скоростей трещин

В.М. Финкель определил методом ускоренной киносъёмки (т.к. применяют ультразвуковой метод), что в хрупком металле трещина на докритической стадии процесса разрушения движется со скоростью ~ 1 мм/час, а после достижения критического размера 10000 км/час.

Пример:

1. Танкер разломался пополам в тихую погоду. Трещина началась у острого угла люка, моментально проскочила через палубу по обоим бортам до самого киля.

2. Довольно страшную картину показывают случаи хрупкого разрушения магистральных газопроводов. Трещина мчится вдоль трубопровода со скоростью реактивного самолёта, пробегая без остановки десятки километров.

Такие разрушения приносят колоссальный ущерб, и часто приводят к человеческим жертвам.

Хрупкие изломы, как правило, возникают от действия нормальных напряжений, чем определяется их макро и микроориентировка, однако известны случаи хрупкого разрушения и от касательных напряжений, что чаще наблюдается у литых металлов и сплавов.

Во многих кристаллических телах при низких температурах нарушение сплошности происходит в форме хрупкого разрушения или скола. Более склонны к хрупкости кристаллы с ионной и ковалентной связью.

Скол, как вид разрушения представляет собой расщепление по определенным кристаллографическим плоскостям, которое происходит в металлах, обнаруживающих слабую способность к поперечному скольжению или её полное отсутствие.

Разрушение в виде истинного скола наблюдается в металлах с ОЦК решеткой, в частности в Fe, Mo, Cr, V, W, и Ta, где его появление связанно с наличием внедрённых атомов. В металлах с ГЦК не обнаружено. В металлах с ГПУ решёткой (Zn, Mg, Ti, Be) выявлено при отрицательных температурах. Металлы с другими типами кристаллической решётки часто являются хрупкими - Bi, Sb (ромбоэдрическая). Невозможно установить единый критерий, позволяющий определить плоскость разрушения, например, как плоскость с наиболее плотной упаковкой или с наименьшей поверхностной энергией. Однако металлы с подобными кристаллическими решётками ведут себя одинаково.

Таблица 2. Типичные плоскости скола металлов