В результате взаимодействия дислокаций кристаллической решетки возможны образования трещины. Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение, вязкая трещина происходит со значительной пластической деформацией. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика, близка к скорости звука. Поэтому ни редко хрупкое разрушение называю «внезапным» или «катастрофическим» разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины.
По виду микроструктуры разрушения встречаются транскристаллитные и интеркристаллитные. При траскристаллитном разрушении трещины распространяются по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходи по границам зерна. При распространении трещины по телу зерна происходит вязкое разрушение. По внешнему виду излома можно судить о характере разрушения. Волокнистый излом свидетельствует о вязком разрушении. Вязкое разрушение характеризуется «чашечным» разрушением вязкой трещины.
Хрупкое разрушение происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической информации. Очагом хрупкого разрушения являются микро трещины или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной вязкой трещиной разрушения, а не ее зарождением.
Явления, которые происходят у устья трещины описываются с помощью параметра К. Который представляет собой коэфициет интенсивности в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у конца трещины: К=Y нс, где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа образца и трещины. Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно. Силовое условие начало самопроизвольного разрушения – достижение параметрам К. Чаще всего К определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва – перпендикулярно плоскости трещины. В этом случае коэфицинт интенсивности напряжения то есть относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещина при переходе ее от стабильной к не стабильной стадии роста называют вязкостью разрушения при плоской деформации. Значение параметра позволяет ввести вращает конструкции характеристику трещиностойкости материала, определяющую соотношение критических значений действующего напряжения и размера дефекта. С увеличением номинально напряжения значение параметра уменьшается. Важно что параметр К является структурно чувствительной характеристикой сопротивление металла разрушению.
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором напряжения по середине одним ударом маятникового копра. По шкале копра полную работу, затраченную при ударе.
Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца вместе концентратора напряжения. Ударная вязкость является интегральной характеристикой, содержащей работу зарождения трещины и работу распространения вязкой трещины. Склонность к разрушению трещины в первую очередь определяется работой распространения трещины. Чем больше работа распространения вязкой трещины, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. В настоящее время существует ряд методов раздельного определения работы зарождения трещины и работы распространения вязкой трещины.
Многие металлы, имеющие кристаллические решетки в зависимости от температуры могут разрушаться вязко. Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости.
Температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому получила название критической температуры хрупкости (порог хладноломкости). Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости.
Запас вязкости – это интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения.
Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцом для разных температур и строят кривую в зависимости ударной вязкости от температуры испытания. Хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно различить по виду излома. Порог хладноломкости определяют по проценту волокна матовой, волокнистой составляющей в изломе. За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50% волокна. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а зависит от его структуры, условий испытания наличия концентраторов напряжения. Чем выше прочность номинального напряжения, тем выше порог хладноломкости.
Разрушение металла под действие повторный или знакопеременных напряжений называют усталостью металла. Трещина чаще всего возникает на поверхности. Сопротивление металла характеризуется наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за большое число циклов.
Для определения приделов выносливости испытывают не менее 10 образцов. Начиная с первого образца и до последующего, каждый раз снижают или повышают на 20 или 40 МПа в зависимости от числа циклов, вызывающих разрушение первого образца. Результаты испытаний наносят на диаграмму в зависимости напряжения от числа циклов и определяют, сломался образец или нет. Предел выносливости резко снижается при наличии концентраторов напряжении.
С увеличением размера образца предел выносливости уменьшается. Чем тщательнее обработана поверхность образца (детали), тем выше придел выносливости. Сильно понижает придел выносливости карозия.
При изучении механизма и кинетики разрушения анализ излома с помощью фактографии дает возможность определять характер разрушения (хрупкое, вязкое, внутрезеренное) и относительную скорость процесса, а также изменение этих характеристик по мере развития трещины.
При изучении излома можно выявить зоны, где наиболее не благоприятно сочиталить условия нагружения, что нельзя выявить другими методиками. А так же получить сведения о том, как протекал процесс разрушения. Поэтому в настоящее время для фактографии используют электронные микроскопы.
Для изучения атомнокристаллической структуры твердых тел применяют рентгенографические методы исследования. Рентгеноструктурный анализ позволяет определять степень совершенства кристаллов, величину микро напряжений, а так же дает возможность изучать те структурные изменения, которые происходят при пластической деформации и концентрации дефектов.
Образование вязкой трещины связано с реальным строением металлов – наличием различноорентированных зерен, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. В этих условиях при ракетной средней величине напряжений, не превышающей значение придела упругости, фактические напряжения в металле распределяются не равномерно.
Трещины являются сильными концентраторами напряжений и из них образуется микротрещены, далее соединяющиеся в общую трещину, постепенно распространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в результате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения. В отдельных перенапряженных зернах происходит пластическая деформация.
Свойства стали определяются размером действительного зерна. Увлечение его размеров сравнительно мало влияет на предел прочности, но резко снижает вязкость и повышает критическую температуру хрупкости. Следовательно, перегретая сталь с крупным зерном имеет пониженные механические свойства, особенно пластичность и вязкость, т. е. склонна к хрупкому разрушению.
Различные способы магнитного анализа используют при исследовании процессов, связных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Магнитный анализ широко применяют при решении задач, исследовании влияния на структуру режимов термической обработке деформации.
Метод внутреннего трения основан на изучении необратимых потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела. Используя этот метод, можно осуществить расчеты коэффициентов диффузии с высокой точностью, в том числе и при низких температурах, где никакой другой метод не применим, определять изменение твердых растворов, получать информацию определения вязкой трещины по измерениям мезогеометрии излома.
Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-мехническими процессами, происходящими в самом образце (теле).
Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектом металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений. В связи с этим такие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений. Пик напряжений тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения и чем больше глубина надреза. Т. к. вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия. Внутреннее остаточное напряжение возникающие и уравновешивающиеся в приделах тела без действия внешней нагрузки.
Внутреннее остаточное напряжение получается в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, напряжения появляются в процессе кристаллизации при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему по излому. Их называют фазовыми или структурными.
Объемные дефекты имеют значительную протяженность во всех направлениях. Примерами таких дефектов являются усадочные, газовые раковины, трещины, образовавшиеся на различных этапах технологического процесса производства металла. Для кристаллов характерен механизм диффузии который связан с понятием флуктуаций, т. е. беспорядочное отклонение случайных величин в обе стороны от их случайного значения. Наличие флуктуации обусловлено атомной структурой вещества и тепловым движением частиц. Средняя тепловая энергия колеблющихся атомов в зависимости от температуры составляет 0,025-0,2 эВ. В кристаллах наблюдаются вакансии, то есть пустоты. Источниками вакансий являются свободные поверхности кристалла: границы зерен, трещины и поры в внутри кристалла.
Перемещение инородных атомов определяет процесс гетеродеффузии. Когда чужеродные атомы переходят из одного узла решетки переходят в другой, для этого требуется удаление из узла решетки атома основного металла, такой процесс требует значительной энергии.
При встречи вакансий может происходить их скопление, а так же перерождение и другие виды дефектов – в субмикроскопические трещины и линейные дефекты (дислокации). Сток вакансий к существующим трещинам и порам приводит к увеличению размеров трещин. В этом случае имеет место значительное раз упрочнение металла, то есть точечные дефекты оказывают существенное влияние на прочность металлов. Дислокации могут образоваться при кристаллизации. В результате образуется новый единый кристалл с не полностью заполненной атомной плоскостью, которую называю экстраплоскостью. Могут наблюдаться искажения в расположения атомов в кристалле, поэтому по размерным признакам край экстраплоскости создает линейный дефект, который называется дислокация.
