Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Вязкое разрушение

Среди механических свойств конструкционных материалов фундаментальными являются сопротивления текучести и разрушению. Даже в случаях, когда в процессе эксплуатации используются другие свойства твердых тел (электрические, тепловые, магнитные, оптические и др.), материал должен иметь способность выдерживать минимальные нагрузки, сохраняя свою целостность, форму и размеры. Но в настоящее время весьма проблематичной является оценка предельных напряжений при сложном напряженном состоянии и оценка условий перехода твердых материалов под нагрузкой из хрупкого состояния в вязкое. В связи с этим изучение механизмов деформирования и разрушения и совершенствование методов оценки предельных напряжений и долговечности - актуальная проблема физики и механики разрушения и деформирования твердого тела.

Следует отметить, что для анизотропных твердых материалов критерии прочности имеют сложный вид, включая до девяти предельных сопротивлений, устанавливаемых опытами на одноосное растяжение, одноосное сжатие и сдвиг по всем возможным направлениям тензора сложного напряженного состояния. Однако многие из них, нашедшие применение в инженерной практике, сводятся к перечисленным выше видам критериев, если условия предельного состояния выразить в относительных напряжениях.

Относительное напряжение - это отношение каждого компонента напряженного состояния к предельному значению по соответствующему направлению.

В 1960 г. разработана статистическая теория С.Д. Волкова, которая основана на представлении о твердом материале как о сплошной упругопластической среде, макроскопически однородной и в то же время микроскопически неоднородной. Гипотеза о макроскопической сплошности позволила С.Д. Волкову решить задачу для произвольного объемного напряженного состояния. Теория разработана для степенного закона макроскопической деформации.

Статистический критерий С.Д. Волкова имеет следующую формулировку: макроскопическое разрушение твердой среды наступает при условии достижения величины относительной повреждаемости микротрещинами главной площадки тензора напряжений критического значения, равного 0,5, на макроуровне. Этому критерию при законе нормального распределения микронапряжений Гаусса соответствует условие предельного состояния вида:

(7.1)

Макроскопический критерий пластичности представлен в следующей форме: макроскопическое вязкое разрушение твердой среды наступит, если вероятность того, что среднее значение напряжений II рода в окрестности рассматриваемой точки превысит предел текучести, равна 0,5, на микроуровне.

Этому критерию при законе нормального распределения микронапряжений в окрестности точки соответствует условие предельного состояния в виде:

(7.2)

Статистические условия предельного состояния С.Д. Волкова учитывают влияние шарового тензора, девиатора, максимального нормального и максимального касательного напряжения. Они позволили объяснить результаты испытаний на прочность традиционно хрупких материалов: чугуна, стекла, гипса, закаленной и углеродистой стали.

Камневидный излом

Камневидный излом - имеет матовый оттенок проходит по границам зёрен и выявляет их огранку. Наблюдается после высокотемпературного нагрева (1250єС) деформированного металла.

Рис. 1. Поверхность камневидного излома

Камневидный излом бывает первичный, наблюдаемый непосредственно после перегрева и охлаждения, и устойчивый, наблюдаемый после перегрева и последующей термической обработки (нормализационного отжига, закалки с отпуском и др.).

Склонность к образованию камневидного излома зависит от остаточного содержания раскислителя и присутствия в стали серы, титана и др. элементов.

Механизм образования камневидного излома состоит в следующем.

При нагреве до 1300-1350 єС зерно аустенита вырастает до значительных размеров (1-5 мм) и приобретает форму правильных полиэдров. При этих температурах в нём растворяются карбидные фазы, а также нитриды алюминия и сульфиды. В связи с высокой поверхностной активностью сера и азот адсорбируются на границах крупных аустенитных зёрен и образуют избыточные фазы - плёнки сульфидов железа и марганца с преобладанием сульфидов железа и нитридов алюминия, сохраняющиеся после охлаждения на границах бывших зёрен аустенита.

Это приводит к хрупкости металла при ударном нагружении и излом проходит частично или полностью по этим границам. Последующая термообработка не устраняет образовавшихся при перегреве фаз и излом проходит по границам бывших аустенитных зёрен. В этом случае появляется устойчивый камневидный излом.

Рис. 2. Схема нагрева, приводящая к образованию устойчивого камневидного излома

Камневидный излом встречается в сталях различных марок, выплавляемых различными методами. Наибольшую склонность к образованию устойчивого камневидного излома имеют стали с высоким содержанием серы при низком содержании марганца (менее 0,1%). В этом случае в стали присутствуют железомарганцевые сульфиды с высоким содержанием железа, более легко плавкие и легкорастворимые по сравнению с сульфидами марганца. Особенно высокой склонностью к камневидному излому обладает сталь с высоким содержанием алюминия 38ХМЮА.

В целях снижения склонности стали к камневидному излому применяют малые добавки титана (менее 0,05%) и добавки РЗМ. При добавке титана образуются его нитриды, не переходящие в раствор при 1300 - 1350єС, что исключает возможность возникновения нитридов алюминия. Присадка РЗМ (церий) связывает серу в стойкие сульфиды редкоземельных металлов.

Устойчивый камневидный излом не исправляется обычными режимами термообработки. Дефект может быть устранён горячей деформацией в условиях нормального нагрева.

Шиферный излом

Шиферный излом имеет сильно волнистый, извилистый или шиферный вид и подобен разрушению грубоволокнистого дерева в продольном направлении с обрывами группы волокон. Наблюдается в деформированной (горячекатаной) стали. На продольных макрошлифах при травлении реактивом Обергоффера (3 мл HCl, 0,2 мл CuCl2, 3 гр. FeCl2, 0,1 гр. SnCl2, 100гр. спирта, 100 гр. воды) наблюдается полосчатость. Она указывает на наличие ликвации фосфора, объёмы которой вытягиваются в процессе деформации. Степень выявления шиферности в изломе зависит от предварительной т/о. Наиболее резко шиферность выявляется после закалки с высоким отпуском.

Рис. 3. Поверхность шиферного излома

Причины образования шиферного излома - загрязнённость стали неметаллическими включениями, которые после прокатки расположены в виде строчек, и полосчатость, связанная с дендритной ликвацией примесей и легирующих элементов. Дефект не может быть устранен.

Для предупреждения шиферности в изломе следует применять оптимальные условия раскисления и десульфации, чтобы снизить содержание включений, принимать меры в целях уменьшения степени дендридной ликвации.

Чёрный излом

Чёрным называют излом тёмно-серого цвета, связанный с присутствием выделений графита в структуре высокоуглеродистых и легированных сталей.

Излом может быть тёмно-серым полностью или в отдельных участках. Дефект отчётливо обнаруживается в поперечных изломах. В микроструктуре стали с чёрным изломом, наблюдаются выделения графита.

Образованию графита в структуре стали способствуют:

· Высокое содержание углерода и кремния.

· Отсутствие хрома (менее 0,05%)

· Низкая температура конца горячей деформации

· Длительный отпуск при температуре немного ниже Ас1 (менее 700єС)

· Холодная деформация с последующим высоким отпуском или отжигом.

· Значительные добавки алюминия для раскисления.

К образованию чёрного излома склонны углеродистые стали, содержащие более 0,7% С, и стали с более 0,05% C при повышенном содержании кремния (более 0,6%). Легирование стали кремнием, молибденом, вольфрамом и кобальтом способствует образованию чёрного излома, легирование хромом, ванадием и титаном препятствует образованию этого дефекта.

Нафталиновый излом

Нафталиновый излом - это излом, проходящий по телу крупных зерен(по кристаллографическим плоскостям) и отличающийся характерным блеском. Этот блеск связан с различным наклоном кристаллографических плоскостей зерен по отношению к падающим световым лучам.

Нафталиновый излом связан с образованием при перегреве крупных зёрен аустенита, обладающих определенной текстурой. При последующем охлаждении продукты распада аустенита (перлит, бейнит, мартенсит) наследуют ориентировку и излом идёт по определённым кристаллографическим направлениям, связанных со структурой аустенитных зерен. Нафталиновый излом часто обнаруживается после повторной закалки (особенно в перегретой стали) без промежуточного отжига.

При превращении аустенита в перлит по диффузионному механизму рост кристаллов новых фаз сопровождается оттеснением дефектов строения к границам зёрен (дислокации, вакансии, примесные атомы). Дефекты, ранее располагавшиеся по границам зерен аустенита, перераспределяются на границы ферритных, перлитных зёрен. При мартенситном и бейнитном превращениях подобного перераспределения дефектов не происходит, они остаются на местах прежних аустенитных зерен. При нагреве мартенсита выше А1 образуются мелкие слабо разориентированные аустенитные зерна, не имеющие на своих границах защитных дефектных слоёв, быстро объединяются, то есть происходит их слияние и восстанавливается прежнее по размерам аустенитное зерно.

Рис. 4. Схема неправильного режима термической для устранения перегрева

Рис. 5. Схема правильного режима для устранения перегрева

В случае полностью нафталинового излома существенно снижается ударная вязкость. Наиболее часто этот вид излома наблюдается в сталях мартенситного класса. Может быть исправлен отжигом.

Рис. 6. Поверхность нафталинового излома

Поскольку хрупкость и пластичность - это не свойства твердого тела, а состояние, и одно и то же тело в зависимости от величины напряжения, температуры, времени (скорости нагружения), вида напряженного состояния может находиться то в хрупком, то в пластическом состоянии, обобщенный подход к оценке прочности возможен. Этот подход должен строиться на основе физической константы, полностью определяющей состояние твердого тела и, следовательно, характер разрушения. Такая физическая константа есть - это энергия активации.

Рассматривая процесс термоактивационного разрушения как процесс накопления поврежденности, рассматривая условие перехода от хрупкого характера развития этого процесса к вязкому, рассматривая условие эквивалентности вызывающих развитие процесса напряженных состояний, всякий раз будем в качестве критерия принимать термодинамическую вероятность Гиббса.

В соответствии с подходом физики твердого тела будем считать твердое тело ансамблем структурных элементов, внутренняя энергия которых определяется потенциалами взаимодействия. Будем исходить из того, что под нагрузкой потенциал связей и химических, и физических снижается.

В результате тепловых флуктуаций и химические, и физические связи рвутся параллельно. При одинаковой термофлуктуационной природе процессы хрупкого и вязкого разрушения - это процессы с разной энергией активации, а следовательно, и с различными микромеханизмами реализации.

Хрупкое разрушение происходит при небольших деформациях, его скорость контролируется разрывом межатомных связей с начальной энергией активации U0, которая для металлов близка к энергии сублимации, а для полимеров - совпадает с энергией активации процесса термического разложения. Вероятность разрушения химических связей и развития процесса по схеме хрупкого разрушения определим функцией Гиббса:

, (7.3)

Вязкое разрушение контролируется скоростью пластических деформаций с энергией активации Um, для металлов совпадающей с энергией объемной самодиффузии или энергией миграции вакансий, а для полимеров Um кратна энергии разрыва межмолекулярных связей. Вероятность вязкого разрушения согласно статистической механике Гиббса будет равна:

, (7.4)

Тогда при одинаковой температуре T = const критическое событие будет достигаться преимущественным разрывом тех связей, которым соответствует минимум энергии активации. Поэтому, исследуя длительную статическую прочность цветных металлов, В.А. Степанов с сотрудниками наблюдали хрупкое разрушение при низкой температуре и больших напряжениях, а вязкое - при высокой температуре и малых напряжениях.

Флокены

Флокены представляют собой тонкие разрывы округлой или овальной формы, образующиеся вследствие структурных напряжений в стали, насыщенной водородом. Они располагаются в основном в средней части слитков, поковок и прутков.

В продольных изломах флокены имеют вид светлых пятен, отличающихся от остального излома кристаллическим строением, Поверхность флокена обычно блестящая, более крупнокристаллическая, резко выделяется на фоне матового, мелкозернистого излома.

Рис. 7. Вид флокенов (светлые пятна) в изломе стали

Флокены образуются в процессе охлаждения стали после горячей деформации или после термической обработки или даже в процессе хранения. Флокены возникают в процессе охлаждения при температуре ниже 250єC. Причина образования флокенов - наличие в металле водорода. Водород, находящийся в жидком металле при высоких температурах, а затем образующий твердый раствор внедрения в аустените, во время его превращения при охлаждении выделяется в газообразном состоянии.

Таблица 1. Растворимость водорода в железе

Если охлаждение происходит слишком быстро, а сечение слишком велико, то для удаления водорода из стали путём диффузии недостаточно времени.

В связи с меньшей растворимостью водорода в феррите или мартенсите по сравнению с аустенитом происходит диффузионное перемещение водорода из поверхностного слоя. Где превращение уже успело произойти, в центральную, в которой ещё сохранился аустенит. Этот процесс приводит к обогащению водородом центральной зоны прутков или поковок. Наложение термических напряжений, возникающих при охлаждении, структурных напряжений в результате превращений при охлаждении, остаточных напряжений из - за неравномерной деформации и адсорбция (поглощение) водорода в местах дефектов кристаллической решетки приводит к тому, что создаются высокие суммарные напряжения, которые могут вызвать трещины (флокены). Флокены преимущественно встречаются в легированных конструкционных и инструментальных, подшипниковых и реже в углеродистых сталях.

С повышением содержания углерода и легирующих элементов склонность к образованию флокенов увеличивается.

Рис. 8. Вид флокенов: а - на макрошлифе; б - под микроскопом

металлография излом вязкий разрушение

Размещено на Allbest.ru