что такое вязко хрупкий переход

8 Классические схемы хрупкого, квазихрупкого, вязкого разрушения

Классические схемы хрупкого, квазихрупкого, вязкого разрушения

Граница между различными видами разрушения до сих пор размыта и не является четко очерченной. До сих пор нет общепринятого определения хрупкого разрушения. Вот некоторые из них.

1. Разрушение является хрупким, если для его протекания и завершения достаточно упругой энергии разрушаемой конструкции.

2. Хрупким является разрушение, при котором нестабильный рост трещины происходит при напряжениях, меньших предела текучести.

3. Хрупким является разрушение без заметных пластических деформаций.

4. Разрушение хрупкое, если достаточно велика доля хрупкого составляющего в изломе

5. Качественное различие между разрушениями связано со скоростью распространения трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика – достигает 0.4…0.5 скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

В зависимости от условий состояние материала и характер разрушения меняется. Известны несколько классических схем, связывающих характер разрушения с внешними условиями, показывающих условия перехода материалов из пластического в хрупкое состояние.

Схема П.Людвика (1909 г.). Схема (рис. 25) построена в координатах напряжение – деформация, но в качестве фактора, влияющего на сопротивление пластической деформации и на пластичность, принята скорость деформации.

Рекомендуемые файлы

Рис. 25. Схема П.Людвика

Схема А.Ф.Иоффе (1924 г.). Состояния материала были представлены Иоффе в виде удобной схемы (рис. 26), носящей его имя.

Рис. 26. Схема А.Ф.Иоффе,

s_т – предел текучести; s_от – сопротивление отрыву

Схема построена на основании опытов, проводившихся на каменной соли, и относится либо к однородному напряженному состоянию, либо к элементу объема. Такие важнейшие факторы, как вид напряженного состояния и существование у одного и того же материала двух физически различных сопротивлений разрушению, в этой схеме вовсе не отражены. Хотя схема Иоффе построена в координатах напряжение – температура испытания, а схема Людвика в координатах напряжение – деформация (при различных скоростях деформации), по сути дела в обоих схемах выражена одна и та же идея – материал имеет практически не изменяющееся (от температуры в схеме Иоффе или от скорости в схеме Людвика) сопротивление разрушению (отрыву) и сильно изменяющееся от тех же факторов сопротивление пластической деформации, которое характеризуется в схеме Иоффе пределом текучести, а в схеме Людвика – текущими ординатами кривой деформации).

Схема А.Ф.Иоффе сыграла важную роль в понимании механических свойств, в особенности при изучении хладноломкости металлов в работах Н.Н.Давиденкова и его школы. Применение и развитие этой схемы для металлов принадлежит Н.Н.Давиденкову. Он отмечал, что одни металлы являются хладноломкими, т.е. разрушаются хрупко при понижении температуры, а другие нет. Потеря пластичности и переход в хрупкое состояние при определенной критической температуре (или в интервале температур) свойственны не всем металлам. С одной стороны, малоуглеродистые стали, цинк, кадмий, магний, подвержены хладноломкости, с другой стороны, медь, алюминий, никель, свинец, аустенитные стали даже при испытании на ударный изгиб с надрезом при низких температурах не теряют своей пластичности. Можно предположить, что различное поведение зависит от типа кристаллической решетки и что решетки объемноцентрированного куба и гексагональная склонны к хладноломкости, а решетка гранецентрированного куба ее не обнаруживает. Для металлов с решеткой объемноцентрированного куба и гексагональной повышение диаграммы сжатия, главным образом, вызывается одним охлаждением и проявляется в повышении предела текучести, тогда как для металлов с решеткой гранецентрированного куба следствием понижения температуры является повышение коэффициента упрочнения. При этом повышение предела текучести у первых металлов при растяжении может привести к хрупкому разрушению, если только предел текучести поднимется выше сопротивления отрыву (по схеме А.Ф.Иоффе). Напротив, для второй группы металлов сопротивление отрыву при наличии растягивающих напряжений могло бы быть достигнуто (впрочем, никогда не достигается) только после определенной степени пластической деформации, поэтому совершенно хрупкое разрушение невозможно.

Схема Н.Н.Давиденкова (1936 г.)(рис.27). Основываясь на результатах исследования монокристаллов a-железа, которые в зависимости от температуры и других условий опыта могут разрушаться пластичски, по плоскостям, проходящим через диагональ куба, и хрупко по граням куба, было предложено учитывать не только два вида разрушения, но и два сопротивления разрушению, названные Давиденковым вязким и хрупким отрывом.

1. Рис. 27. Схема Н.Н.Давиденкова.

2. Кривая CL – сопротивление хрупкому разрушению,

3. MB – сопротивление вязкому разрушению.

Введенные Давиденковым в схему механического состояния две различные ветви разрушения положили начало разграничению между характеристиками разрушения – сопротивлением отрыву и сопротивлением срезу. В дальнейшем выяснилось, что каждая из этих характеристик связана с различными по характеру напряжениями: сопротивление отрыву с растягивающими, сопротивление срезу с касательными. На схеме наносится семейство истинных кривых деформирования для различных напряженных состояний. Концевые точки кривых (соответствующие разрушению) располагаются на ветви CL – хрупких разрушений и ветви MB – вязких разрушений.

Схема перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 28), предложенная Е.М.Шевандиным (1953 г.), состоит из кривых истинных напряжений s=f(y), полученных при температуре испытания от +20 до –196 0 С для сталей, склонных к хрупкому разрушению. Схема похожа на схему Н.Н.Давиденкова, однако кривая, огибающая конечные точки кривых истинных напряжений, состоит не из двух ветвей, как у Давиденкова, а из трех. Ветвь DC определяет область вязких разрушений с изломами волокнистого строения, ветвь CB – область полухрупких смешанных разрушений с изломами частично кристаллического строения, ветвь BA – хрупкие разрушения с изломами кристаллического строения.

4. Рис. 28. Схема Е.М.Шевандина

Во всех этих схемах не отражено влияние одного из наиболее важных (если не самого важного) факторов: напряженного состояния, которое оказывает огромное влияние на механические свойства.

Различными авторами был предложен ряд схем (рис. 29-34), в которых в отличие от описанных схем учтено также и напряженное состояние, причем в большинстве этих схем принято, что разрушение путем отрыва описывается I, а путем среза – III теорией прочности.

Рис. 29. Схема П.Людвика (1929 г.)

Рис. 30. Схема Э.Зибеля (1932 г.)

Рис. 31. Схема Г.Фромма (1931 г.)

Рис. 32. Схема А.И.Дымова (1933 г.)

Рис. 33. Схема М.Генсамера (1941 г.)

Рис. 34. Схема Н.Ф.Лашко (1951 г.)

В качестве основы для расчетов прочности при сложном напряженном состоянии предлагались различные принципы, обычно называемые теориями прочности. Неоднократно делавшиеся попытки применить ко всем материалам при различных напряженных состояниях какую-либо одну теорию неизменно кончались неудачей, т.к. I теория оказывалась неудовлетворительной для пластичных материалов, а III – для хрупких. Поэтому было предложено разграничить выбор теорий прочности в зависимости от свойств материалов, а именно: для хрупких материалов (чугун, бетон и т.п.) применять I и II, а для пластичных (большинство металлов) – III и IV теории.

Однако в настоящее время можно считать установленным, что хрупкость и пластичность – состояния, в которые при определенных условиях может быть переведено большинство материалов (например, чугун может быть пластически деформирован при сжатии, а многие стали из пластичных становятся хрупкими при переходе от кручения к растяжению). Отсюда, естественно, вытекает, что для одного и того же материала, в зависимости от того, находится ли он в хрупком или в пластическом состоянии, должны применяться разные теории прочности. Поэтому можно говорить о синтезе теорий прочности, которые отражают различные виды нарушения прочности.

В качестве приближенного графического отображения такого синтеза Я.Б.Фридманом было предложено построение диаграммы механического состояния (рис. 35), оценивающей поведение материала при однократных кратковременных статических нагружениях.

Диаграмма механического состояния Фридмана. Диаграмма учитывает (рис. 35)

1. Напряженное состояние, приближенно характеризуемым отношением a=t_max/S n _max;

а) если t_max >> S n _max, т.е. касательные напряжения создаются при очень малых удлинениях, то способ нагружения является мягким (например, испытание на твердость при вдавливании, осевое сжатие под гидростатическим давлением и т.п.);

б) если t_max n _max, т.е. создаются значительные упругие удлинения при малых касательных напряжениях, то способ нагружения является жестким (например, трехосное растяжение, возникающее во внутренних слоях растягиваемого надрезанного образца, в меньшей мере изгиб и растяжение);

в) наконец, если t_max » S n _max, то способ нагружения является средним по своей жесткости (например, кручение цилиндрического стержня, при котором при m=0.25 t_max/S n _max = 0.8).

5.

6. Рис. 35. Диаграмма механического состояния Я.Б.Фридмана

Величина a не может исчерпывающе характеризовать вид нагружения. Назначение этой величины в том, чтобы дать сравнительную оценку опасностей двух видов нарушения прочности: от касательных напряжений (текучесть или срез) и от растягивающих (отрыв). При этом предполагается, что эти нарушения прочности определяются величинами t_max и S_max.

2. Отношение сопротивления отрыву S_от к сопротивлению срезу t_к:

а) если S_от > t_к, то материал при многих способах нагружения будет склонен к разрушению путем среза, как прпавило, пластичному (алюминий, медь, свинец, многие железные сплавы);

в) если S_от » t_к,, то материал при близких нормальных и касательных напряжениях будет примерно в равной степени склонен к обоим видам разрушения.

3. Разное для разных способов нагружения положение сопротивления отрыву по отношению к обобщенной кривой.

Диаграмма механического состояния составляется из двух расположенных рядом частей. По оси ординат обеих частей диаграммы отложены максимальные касательные напряжения t_max. По оси абсцисс отложены в левой части максимальные приведенные растягивающие напряжения S n _max, в правой – максимальные пластические сдвиги g_max. Левая часть диаграммы характеризует условно жесткость или мягкость способа нагружения, в то время как правая часть диаграммы представляет собой просто обобщенную кривую течения.

Если условия нагружения таковы, что равенство t_max = t_к будет осуществлено раньше, чем S n _max = S n _от, то произойдет разрушение путем среза. В этом случае по мере повышения касательного напряжения от t_max = t_т (переход в пластическую область) до t_max = t_к (срез) будет полностью “использована” обобщенная кривая течения данного материала. Если же еще до того, как будет достигнуто условие t_max = t_к, осуществится условие S n _max >= S n _от, то материал разрушится путем отрыва и кривая t_max=f(g_max) “преждевременно” оборвется; пластичность g_max и вязкость (пропорциональная площади кривой) окажутся пониженными, причем степень этой “преждевременности” будет тем большей, чем больше S n _max/ t_max.

Конечно, если материал столь хрупок, что t_т = t_к, то никаким изменением способа нагружения (при данной скорости и температуре деформации) его нельзя перевести в пластичное состояние и кривая t_max=f(g_max) у него отсутствует.

Таким образом, на диаграмме механического состояния прямые t_т, t_к и S_от ограничивают две замкнутые области (рис. 36):

а) упругую область, ограниченную линиями t_т (переход в пластическую область), и S_от (переход к хрупкому отрыву без пересечения пластической области, т.е. при t

Источник

Изломы, полученные при однократных видах нагружения

По характеру разрушения различают следующие основные виды изломов: вязкие, хрупкие, квазихрупкие, вязко-хрупкие и смешанные.

Вязкое разрушение. Вязкое разрушение всегда сопровождается большой пластической деформацией материала на стадии зарождения и распространения трещины. Поэтому вязкие изломы имеют большую шероховатость, темный матовый цвет и волокнистое строение (рис. 9.1). Вбли­зи поверхности изломов имеется утяжка (сужение или «шейка») вследствие про­текания макроскопической пластической деформации образца или детали.

Рисунок 9.1 – Общий вид вязких изломов

Как пра­вило, вязко разрушаются материалы с ГЦК решеткой, а также, в определенных условиях, материалы с ОЦК решеткой, например, мяг­кие стали при комнатной и повышенных температурах.

Вязкое разрушение начинается с образования пор, которые при дальнейшем увеличении нагрузки соединяются (рис. 9.2 а), образуя характерный ямочный микрорельеф, наблюдаемый на поверхности вяз­ких изломов в электронном микроскопе (рис. 9.2 б).

Вязкое разрушение относится к энергоемкому разрушению, т. к. большая часть энергии затрачивается на пластическую деформацию материала. Поэтому вязкий излом свидетельствует о высоком уровне нагрузки, предшествующей разрушению, и о хорошем сопротивлении материала развитию трещины.

а)	б)
Рисунок 9.2 – Схема вязкого разрушения с образованием ямочного микрорельефа (а) и ямочный микрорельеф вязкого разрушения стали (б), х1000

Хрупкое разрушение. Хрупкое разрушение относят к одному из самых опасных видов разрушения. Оно происходит при небольших наг­рузках с очень высокой скоростью. Скорость хрупкой трещины сос­тавляет примерно 0,4 от скорости распространения звука в металле. Сопротивление макропластической деформации практически отсутст­вует. Поэтому хрупкие изломы имеют небольшую шероховатость, свет­лый цвет, кристаллическое строение с металлическим блеском (рис. 9.3). Утя­жка вблизи поверхности изломов практически отсутствует (величина относительного сужения не превышает 1,5 %). При хрупком разрушении металл из-за потери пластичности плохо сопротивляется распространению трещины, поэтому ненадежен в эксплуатации.

Рисунок 9.3 – Общий вид хрупких изломов

К основным причинам, вызывающим охрупчивание металлических материалов, следует отнести:

1. Низкие температуры эксплуатации (в основном для материалов с ОЦК и ГПУ решеткой, испытывающих хладноломкость).

3. Наличие в образце или детали концентраторов напряжения (острых надрезов, трещин и т, д.).

4. Большая толщина детали (масш­табный фактор).

5. Структурное состояние материала (например, от­пускная хрупкость, наличие примесей по границам зерен и т. д.).

Все пе­речисленные факторы, кроме некоторых случаев структурного состояния, создают жесткое напряженное состояние материала, зат­рудняющее пластическую деформацию и охрупчивающее материал.

Хрупкое разрушение подразделяют на транскристаллитное по механиз­му скола (трещина распространяется по телу зерна) (рис. 9.4 а), и интеркристаллитное (межзеренное) по границам зерен (рис. 9.4 б).

а)	б)
в)	г)
Рисунок 9.4 – Схемы внутризеренного (транскристаллитного) (а) и межзеренного (интеркристаллитного) (б) хрупкого разрушения, а также соответствующие микрорельефы изломов стали 45 (в) и Н32Т3 (г). Увеличение: в, г – х1000

Транскристаллитный скол происходит путем отрыва; на поверхности излома при большом увеличении видны фасетки скола (рис. 9.4 в). Так чаще всего разрушаются материалы с ОЦК решеткой (например, стали). Межзеренное хрупкое разрушение наблюдается в тех случаях, когда границы зерен ослаблены, например, вследствие расположенных на них выделений или загрязнений. Так могут разрушаться материалы как с ОЦК, так и с ГЦК решеткой (рис. 9.4 г).

Квазихрупкое разрушение.Квазихрупкое (квазивязкое) разрушение по своему механизму близко к вязкому и содержит признаки предшествовавшей пластической деформации, хотя по своей энергоемкости является скорее хрупким, чем вязким, т. к. обладает низким сопротивлением разрушению. Такое разрушение называют квазисколом с образованием розеточного излома. Розеточный излом с плоскими или слегка изогнутыми поверхностями или фасетками образуется за счет слияния отдельных трещин (рис. 9.5 а). Каждая трещина распространяется концентрически. При этом округлый фронт трещин под действием пластической деформации расширяется и образуется пора в виде линзы. При слиянии трещин образуются острые гребни, называемые гребнями отрыва. Микрорельеф поверхности излома, образовавшейся в результате квазискола, показан на рисунке 9.5 б.

Участки квазискола часто смешиваются с ямками отрыва при вязком разрушении, что указывает на схожую природу этих видов разрушения.

Рисунок 9.5 – Схема образования (а) и характерный микрорельеф (б) квазискола. 1 – поверхность сдвига; 2 – отрывные гребни. б – х1500

Разрушение в интервале вязко-хрупкого перехода (вязко-хруп­кое разрушение). При понижении температуры испытания многие ма­териалы с ОЦК решеткой испытывают хладноломкость, т. е. переходят из пластичного состояния в хрупкое. Для большинства материалов такой переход наблюдается в неко­тором интервале температур, называемом интервалом вязко-хрупкого перехода. В этом интервале температур характеристики сопротивления материала развитию трещины (ударная вязкость КСU и процентное содержание вязкой составляющей в изломе В) изменяются S-образно (рис. 9.6).

Рисунок 9.6 – Схема вязко-хрупкого перехода

Различают нижнюю (Т н _хр) и верхнюю (Т в _хр) критические темпе­ратуры хрупкости (рис. 9.6). За Т н _хр принимают температуру, при которой на поверхности изломов образуются первые участки вязкой составляющей; за Т в _хр – температуру, при которой вся поверхность излома становится вязкой. Верхняя и нижняя критические температуры хрупкости играют большую роль при оценке работоспособности материала в интервале вязко-хрупкого перехода.

Изломы, полученные в интервале вязко-хру­пкого перехода, назы­вают вязко-хрупкими. Они содержат одновременно как хрупкую, так и вязкую составляющие. В зависи­мости от структуры испытуемого металла вязко-хрупкие изломы мо­гут содержать сосредоточенные области вязкого и хрупкого разру­шения (сосредоточенное разрушение) или рассредоточенные области (рассредоточенное разрушение) (рис. 9.7).

Следует заметить, что вяз­ко-хрупкое разрушение не сле­дует относить к особому виду разрушения. Оно представляет собой лишь переходное (промежуточное) состояние от вязкого к хрупкому.

а)

б)

Рисунок 9.7 – Общий вид сосредоточенного (а) и рассредоточенного (б) вязко-хрупких изломов стальных образцов.

Смешанное разрушение имеет место при разрушении материалов с ГЦК-решеткой, например, аустенитных сталей и некоторых цветных сплавов в условиях плоской деформации (при низких температурах, высоких скоростях нагружения и т. д.), а также при разрушении некоторых закаленных инструментальных сталей. Полученные изломы имеют матовую или «бархатную» поверхность; они ровные, без губ среза или имеют небольшие губы среза (рис. 9.8 а) и небольшую шероховатость. Металлический блеск отсутствует.

При микрофрактографическом исследовании таких изломов можно обнаружить практически все виды микрорельефа: ямочный, квазискол, межзеренное вязкое разрушение и т. д. (рис. 9.8 б). Причем, имеет место различное сочетание вышеперечисленных микрорельефов, а сами вышеуказанные микрорельефы не всегда ярко выражены. Так, например, при смешанном разрушении участки ямочного микрорельефа могут состоять из неглубоких мелких ямок, свидетельствующих о невысокой локальной пластической деформации материала.

Источник