Лекция 2. Микро и макро механизмы разрушения

Лекция 1. Виды и классификации разрушений

Одной из основных задач механики разрушения является изучение причин разрушений элементов инженерно-технических сооружений, работающих в реальных производственных условиях.Разрушение представляет собой сложный, многостадийный процесс, определяемый большим количеством факторов. Из-за сложности и неоднозначности явления общепринятого определения разрушения, как и общепринятой классификации видов разрушения не существует.

Механическое разрушение – любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, в результате которого она утрачивает способность удовлетворительно выполнять свои функции.

Тип разрушения – определенный физический процесс или несколько взаимосвязанных между собой процессов, приводящих к разрушению.

Классификация всех возможных типов разрушения (классификация В. Старки) основана на учете трех факторов:

· характера разру­шения;

· причин разрушения;

· места разрушения.

Используя различные комбинации этих факторов, можно описать множество видов разрушения.

По характеру разрушения выделяют четыре класса:

· упругая деформация;

· пластическая деформация;

· разрыв, или разделение на части;

· Изменение материала:

o металлургическое; химическое; ядерное.

По причинам разрушения выделяют четыре класса:

· Нагрузки:

o установившиеся; неустановившиеся; циклические; случайные.

· Время процесса:

o очень малое; малое; продолжи­тельное.

· Температуры:

o низкие; комнатные; повышенные; установившиеся; неустановившиеся; циклические; случайные.

· Воздействия окружающей среды:

o химические; ядер­ные.

По месту разрушения выделяют два класса:

· объемное;

· поверхностное.

Для точного описания какого-либо вида разрушения необходи­мо выбрать характеристики процесса из указанного перечня. Перечислим наиболее опасные виды разрушения, встречающиеся на практике:

· Пластическое течение – разрушение возникающее, когда пластическая де­формация элемента, под действием экс­плуатационных нагрузок, становится настолько большой, что он утрачивает способность выполнять предназначенные ему функции;

· Ползучесть – разрушение, возникающее, когда пластическая деформация элемента, накопленная в течение некоторого времени действия напряжений и температуры, приводит к изменениям размеров, вследствие которых элемент не может удовлетворительно выполнять предназначенную ему функцию;

· Выпучивание (потеря устойчивости)– разрушение, когда при критической комбинации величины и (или) места приложения на­грузки, а также формы и размеров детали ее перемещения или про­гибы внезапно резко увеличиваются при малом изменении нагруз­ки (рис. 1.2);

Рис. 1.2. Примеры потери устойчивости

· Бринелирование – разрушение, возникающее, когда статические усилия в месте контакта криволинейных поверх­ностей приводят к появлению локальных пластических деформаций у одного или у обоих соприкасающихся элементов, в результате чего происходит необратимое изменение формы поверхности (рис. 1.3);

Рис. 1.3. Примеры бринелирования

· Вязкое разрушение – разрушение, возникающее, когда пластическая деформа­ция элемента из пластичного материала достигает такой величины, что он раз­деляется на две части. Разрушение происходит в результате про­цесса зарождения, слияния и распространения внутренних пор, поверхность разрушения при этом гладкая и волнистая (рис. 1.4);

Рис. 1.4. Примеры вязкого разрушения

· Хрупкое разрушение – разрушение, возникающее, когда упругая деформация элемента из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части. Внутренние дефекты и образующиеся тре­щины быстро распространяются до полного разрушения; поверх­ность разрушения при этом неровная, зернистая (рис. 1.5);

Рис. 1.5. Примеры хрупкого разрушения

· Усталость – разрушения в виде внезапного разделения элемента на две или более части в результате действия в течение некоторого времени циклических нагрузок. Раз­рушение происходит путем зарождения и распространения трещи­ны, которая после достижения некоторого критического размера становится неустойчивой и быстро увеличивается, вызывая разру­шение. Нагрузки и деформации, при которых обычно происходит усталостное разрушение, намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях. Виды усталости: многоцикловая; малоцикловая; термическая; поверхностная; ударная; коррозионная; фреттинг-усталость (рис. 1.6);

Рис. 1.6. Примеры усталостного разрушения

· Коррозия – разрушение, при котором элемент утрачивает способность исполнять свою функцию из-за нежела­тельной порчи материала в результате химического или электро­химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионное разрушение часто проявляется во взаимодействии с другими видами разрушения, такими, как износ или усталость. Виды коррозии: химическая; электрохимическая; ще­левая; точечная (питтинговая); межкристаллическая; избирательное выщелачивание; эрозионная; кавитационная; водородное повреждение; биологическая; коррозия под напряжением (рис. 1.7);

Рис. 1.7. Примеры коррозионного разрушения

· Износ – разрушение в виде постепенного изме­нения размеров элементов вследствие удаления отдельных частиц с контак­тирующих поверхностей при их движении, обычно скользящем, относительно друг друга. Износ является, в основном, результатом механического действия. Виды износа: адгезионный; абразивный; коррозионный; поверхностный усталостный; деформационный; ударный; фреттинг-износ (рис. 1.8);

Рис. 1.8. Примеры изнашивания

· Радиационное повреждение – разрушение, возникающее при радиационном облучении, когда происходят такие изменения свойств материала, что деталь уже не может выполнить своих функ­ций. Обычно эти изменения связаны с потерей пластичности в ре­зультате облучения и служат причиной начала процесса разруше­ния того или иного вида.

Классификация всех возможных типов разрушения (согласно Я.Б. Фридману) основана (табл. 1.1) на учете следующих факторов:

Таблица 1.1. Классификация типов разрушения

Таблица 1.1. Классификация типов разрушения (продолжение)

На сегодняшний день известно множество разнообразных видов разрушения и способов их классификации. Тем не менее, в основе любой классификации должно лежать понимание физико-механических процессов, протекающих в материалах в процессе разрушения. Именно поэтому, особое место в механике разрушения, занимают вопросы, связанные с изучением микро и макро механизмов, протекающих в конструкционных материалах в процессе нагружения, вплоть до их разрушения.

Важнейшей частью механики разрушенияявляется изучение процессов разрушения на уровне атомов и молекул вплоть до кристаллических зерен и примесных образований. Огромное разнообразие конструкционных материалов, применяемых в современной инженерной практике, многократно усложняет задачу. Тем не менее, понимание процессов разрушения крайне важно для прогнозирования прочности и долговечности конструкционных материалов.

Современные металлы и их сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из множества произвольно ориентированных кристаллитов (зерен), отделенных друг от друга межкристаллитными границами(рис. 2.1).

Рис. 2.1. Масштабные уровни поликристаллических материалов

Кристаллиты состоят из отдельных фрагментов, повернутых друг относительно друга на угол, равный нескольким градусам. Фрагменты состоят из отдельных блоков, повернутых друг относительно друга на угол, равный нескольким минутам. Такое строение кристаллитов носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называют блоками мозаики.

На микроскопическом уровне строение отдельных блоков представляет собой упорядоченное, периодически повторяющееся в пространстве, расположение атомов – кристаллическую решетку.

Правильное расположение атомов внутри кристаллической решетки может нарушаться вследствие наличия разного рода отклонений – дефектов(рис. 2.2). Локализованные по объему кристаллита точечные (вакансии,примесные атомыимеждоузельные чужеродные атомы внедрения) и линейные (краевыеи винтовые дислокации) дефекты, оказывают существенное влияние на физико-механические свойства металла.

Рис. 2.2. Наиболее характерные дефекты, наблюдающиеся в поликристаллических материалах

Наибольшая плотность дефектов наблюдается в местах сочленения элементов кристаллической структуры металла друг с другом. Промежутки между блоками содержат линейные дефекты (краевые дислокации). Промежутки между границами фрагментов содержат точечные, линейные и поверхностные дефекты (дефекты упаковки,границы двойников). Между кристаллитами имеется пограничный слой толщиной в несколько атомных диаметров с сильно искаженной структурой и наивысшей концентрацией дефектов.

Наличие дефектов приводит к тому, что в нагружаемом материале силы межатомного взаимодействия полноценно работают только на очень малом отрезке упругой деформации(рис. 2.8), в течение которого величина действующего напряжения пропорциональна деформации. При дальнейшем увеличении нагрузки начинается упруго-пластическая деформация, характеризуемая тем, что в отдельных неблагоприятно ориентированных кристаллитах (рис. 2.3) под действием наибольших касательных напряжений начинается перемещение дислокаций (рис. 2.4). Работа, совершаемая данными напряжениями, затрачивается на преодоление различных барьеров, на образование новых дефектов в шлейфах движущихся дислокаций, а также частично рассеивается, превращаясь в тепло.

Рис. 2.3. Ориентация кристаллитов относительно действующих сил

Все это приводит к деградации кристаллической решетки в отдельных неблагоприятно ориентированных кристаллитах – микропластической деформации, которая сопровождается скоплением дислокаций на различных препятствиях: границах кристаллических областей, различных твердых включениях – стопорах. После снятия нагрузки, идет обратная микропластическая деформация, в результате которой упруго деформированные кристаллиты постепенно возвращаются в исходное положение, несмотря на противодействие областей, состоящих из пластически деформированных кристаллитов.

Последующее увеличение нагрузки (рис. 2.8) приводит к росту числа пластически деформированных кристаллитов, а также к увеличению плотности дефектов (линейных и точечных) в них. При этом в решетках пластически деформированных кристаллических объемов перемещаются не только «старые» дислокации, существовавшие в металле до начала деформации, но и новые, созданные источниками, работающими по принципуФранка-Рида(рис. 2.5).

Рис. 2.4. Схема работы дислокационного механизма пластической деформации

В соответствии с этим принципом, дислокации могут пересекаться друг с другом, с чужеродными атомами, а также с другими элементами микроструктуры, образуя точки закрепления. Закрепленная в двух точках дислокация не способна к движению, однако, под действием внешних сил ее линия выгибается, вплоть до образования внешней замкнутой дислокационной петли и новой дислокации. При этом рабочее напряжение источника Франка-Рида меньше критического, необходимого для разрыва атомных плоскостей, и в объеме металла всегда достаточно дислокаций для осуществления пластического деформирования.

Интенсивность микропластической деформации в приповерхностных слоях металла выше, чем во внутренних объемах. Причина этого явления связана с особенностью закрепления приповерхностных источников дислокаций, имеющих одну точку закрепления, вследствие чего напряжение начала их работы значительно ниже, чем у источников в объеме металла.

Рис. 2.5. Схема работы источника Франка-Рида

Активное передвижение дислокаций под действием максимальных касательных напряжений приводит к расслоению кристаллитов, что сопровождается появлением пачек кристаллических плоскостей, и их последующим сдвигом. Визуально сдвиги пачек кристаллических плоскостей проявляются на поверхности самой нагруженной области конструкции в виде параллельных линий – линий сдвига(рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема пластической деформации отдельного кристаллита

В результате протекания вышеописанных процессов в объеме металла происходит искажение формы кристаллитов в определенном направлении – их вытяжка, обусловленная тем, что отдельные кристаллиты не могут изменять свою форму произвольно, так как ограничены со всех сторон соседями. Кроме того, согласно условию сохранения сплошности среды, расхождение поверхностей смежных кристаллитов невозможно, поэтому все они удлиняются на одну и ту же величину в одном и том же направлении, образуяволокнистую структуру.

Рис. 2.7. Схема зарождения микротрещин у дислокационных скоплений (модель Зинера-Стро-Петча) и в параллельных полосах сдвига (модель Орлова)

На определенной стадии нагружения (рис. 2.8) краевые дислокации, скопившиеся у какого-либо барьера (границы блока, фрагмента, кристаллита, включения) или на границах сдвигов пачек кристаллических плоскостей под действием касательных напряжений, могут оказаться настолько тесно прижатыми друг к другу, что их экстра плоскости сольются (рис. 2.7).

Под ними образуется микропора – сверхдислокация, находящаяся в упругом равновесии с полем напряжений, действующем в окружающем материале кристаллита. Убрать микропоры на данной стадии нагружения можно посредством низкотемпературного отжига.

После появления первых микропор начинается макропластическая деформация, характеризуемая параллельным протеканием в наиболее нагруженной области конструкции двух процессов: процесса интенсивной деградации кристаллических решеток всех имеющихся кристаллитов с образованием развитой дислокационной ячеистой структуры, а также процесса образования и развития микропор с последующим их переходом в стадию микротрещин.

Оба этих процесса взаимосвязаны. Первый процесс, именуемый наклепом,проявляется в общем упрочнении пластически деформируемого тела. Здесь развитая дислокационная ячеистая структура препятствует движению отдельных дислокаций, повышая сопротивление материала дальнейшим пластическим сдвигам. Таким образом, разрушение локализуется в вершинах микропор, которые развиваются, превращаясь в микротрещины, за счет стока близлежащих дислокаций в их вершины.

Рис. 2.8. Диаграмма растяжения-сжатия поликристаллического материала

Завершение вышеописанных процессов определяет максимальную статическую нагрузку – предел прочности(рис. 2.8), которую может выдержать данная конструкция. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к стремительному увеличению числа микропор, их развитию и росту, который сопровождается лавинообразным разрушением перемычек, разделяющих соседние поры. Повсеместное объединение микропор на заключительных этапах нагружения, приводит к образованию микротрещин, которые в свою очередь, соединяясь, формируют макротрещину, приводящую к хрупкому разделению конструкции на части.

Анализ вышеописанных явлений, наблюдаемых в металлических материалах на различных стадиях нагружения, показывает, что дислокационные механизмы оказывают существенное влияние на механическое поведение твердых кристаллических тел и играют важную роль в понимании процессов протекающих при их разрушении.

Несмотря на всю важность понимания этих механизмов, вопросы прогнозирования являются основополагающими для механики разрушения. Существенным этапом, на пути развития механики разрушения, стало использование развитого математического аппарата механики сплошной среды для получения полей напряжений и деформаций, действующих в нагруженной конструкции.