Механизмы, микромеханизмы, карты разрушения

Во всех случаях процессы повреждения и разрушения определяются материалом, напряженно-деформированным состоянием и средой. Необходимо идентифицировать микромеханизмы, способные вызвать разрушение, и определить области температур и напряжений, в которых эти механизмы действуют.

В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения: 1) отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием касательных напряжений.

В таблице (рис. 21) представлены соответствующие схемы для ряда испытаний.

Рис. 21. Схемы разрушения путем отрыва и среза при различных механических испытаниях (по Я.Б.Фридману)

Для чистого железа, ферритных и аустенитных сталей, тугоплавкой керамики, а также льда можно выделить семь основных микромеханизмов разрушения: 1) раскол (cleavage), тип 1; 2) раскол, тип 2; 3) раскол, тип 3; 4) вязкое разрушение; 5) разрушение в результате внутризеренной ползучести (transgranular creep fracture); 6) разрушение в результате межзеренной ползучести (intergranular creep fracture); 7) пластический разрыв (rupture).

При особых обстоятельствах существуют еще два микромеханизма разрушения: динамический и диффузионный.

Важнейшей задачей является установление доминирующего механизма при статическом или динамическом нагружении, особенно при одновременном воздействии временных и циклических процессов, что, например, типично для суперпозиции ползучести и усталости. Все детали и конструкции в целом содержат некоторые геометрические дефекты, например, пустоты (поры), маркировочные знаки и т. д. Все они вызывают концентрацию напряжений при нагружении.

В таких локальных областях зарождаются и начинают расти микроскопические дефекты. С другой стороны, большие трещины могут зарождаться уже в процессе обработки, например, при сварке из-за непроваров или возникновения остаточных напряжений. В результате, когда конструкция или деталь, содержащая такие врожденные дефекты, подвергается нагружению, материал в области вершины трещины испытывает значительные деформации и трещины начинают распространяться по одному из микромеханизмов, которые будут подробно рассмотрены ниже.

Следует отметить, что чистота материала, вариации легирования, процесс изготовления, размер зерна, текстура лишь незначительно влияют на границы областей разрушения, показанные на прилагаемых картах механизмов. Конструкторы должны, помимо прочего, иметь в виду, что при прогнозировании долговечности и поведения реальных деталей на основе результатов лабораторных испытаний особое внимание следует удалять информации о режимах, так как, например, при высоких напряжениях и температурах активны одни механизмы, а при низких — другие. Также необходимо учитывать возможность независимого накопления двух видов повреждений в случае суперпозиции процессов, зависящих от времени и циклического нагружения.

Механизмы разрушения. Разрушение (Separation) материала происходит в результате зарождения и роста (или увеличения числа) дефектов типа дислокации, пор и трещин. Эти дефекты могут приводить к хрупкому или вязкому разрушению, усталости, разрушению в процессе ползучести, причем в одних случаях разрушение носит межзеренный, а в других — внутризеренный характер. Поэтому весьма важно уметь выделить доминирующий механизм.

На рис. 22 показан широкий спектр механизмов разрушения при низких и высоких температурах — от чисто хрупкого до чисто пластического.

Рис. 22. Классификационная схема механизмов разрушения:

• 1 — раскол; 2 — хрупкое межзеренное разрушение; 3 — вязкий рост пор;
• 4 -внутризеренный рост пор; 5 — межзеренный рост пор; 6 — разрыв в результате пластического сужения или среза; 7 — межзеренная ползучесть; 8 — порообразование;
• 9 — клиновидные трещины; 10 — рост пор, но механизму степенной ползучести;
• 11 -разрыв в результате сужения при динамическом возврате или рекристаллизации.

В области низких температур (Т < 0,25 Тпл) пластическое течение больше зависит от напряжения, чем от времени. При высоких температурах на деформацию в основном влияют температура и время, доминируют процессы ползучести.

Хрупкое поведение. Хрупкое разрушение может происходить либо по телу зерна (раскол), либо по границам зерен. В этих случаях разрушающее напряжение ниже предела текучести материала.

По мере повышения температуры и снижения напряжения течения возникает пластическая деформация, но разрушение может быть связано только с микропластическими явлениями — образованием пор или клиновидных трещин, которые затем распространяются по границам зерен. Эти процессы требуют для своего развития значительного времени, и поэтому такой тип хрупкого поведения рассматривается как межзеренное разрушение при ползучести.

Пластическое поведение. При низких температурах могут быть оперативны несколько систем скольжения, что особенно характерно для металлов с г-ц.к.-решеткой — Ag, Au, Pt, Al, Cu, Pb. В этом случае раскол становится невозможным и разрушение происходит за счет разрыва в результате сужения поперечного сечения до нуля при образовании шейки (сужение до точки, necking) или сдвига (сужение до лезвия, shearing off). При высоких температурах могут иметь место динамический возврат или рекристаллизация, которые приводят к накоплению деформаций и окончательному разрушению в результате уменьшения сечения, несущего нагрузку.

Переходная зона. Между двумя описанными крайними случаями хрупкого и вязкого разрушения возможны различные случаи ограниченного пластического течения, которое вызывает рост внутризеренных или межзеренных пор.

Микромеханизмы. На представленных ниже картах показаны области, в которых доминирует тот или иной микромеханизм. По осям этих карт откладывается нормализованная (по Тпл температура и нормализованные (по модулю нормальной упругости Е, соответствующему температуре) напряжения.

За верхнюю границу напряжения принимается идеальная (теоретическая) прочность материала, примерно равная 0.1Е.

Рассматриваемые далее границы действия механизмов являются довольно условными, так как во многих случаях одновременное действие нескольких механизмов приводит к разрушению по смешанному типу.