Вязкое и хрупкое разрушение. Этапы процесса хрупкого разрушения

Лекция №13

Тема: ВЯЗКОЕ И ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ. ЭТАПЫ ПРОЦЕССА ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, ПОРОГ ХЛАДНОЛОМКОСТИ. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ, ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ K1C. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ: РАСЧЕТЫ РАЗМЕРОВ ТРЕЩИНЫ. МОДЕЛИ ГРИФФИТСА, ИНГЛИСА - ЗИНЕРА И ДР. СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ K1C И ПРЕДЕЛОМ ТЕКУЧЕСТИ МАТЕРИАЛОВ

От конструкционного материала требуется не только высокое сопротивление деформации (упругой, характеризуемой модулями Е и G; пластической - пределами б_в и б_0.2), но и высокое сопротивление разрушению. Общее сопротивление деформации объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению - надежность. Если разрушение происходит не за один, а за многие акты нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение, то это характеризует долговечность материала.

Если материал пластичен, то превышение определенного уровня напряжения приводит в движение дислокации, которые скапливаются у каких-то непреодолимых для них препятствий (включения, границы зерен и др.). Рис. 57.

Рис. 57. Скопление дислокаций у препятствий (а), скопление и образование зародышевой трещины (б).

Рис. 58. Концентраторы напряжений в устье дефекта. а - трещина, б - острый надрез, в “мягкий” надрез.

При большом скоплении дислокаций эти зоны вообще становятся неспособными к пластическому деформированию и дальнейший рост напряжений ведет в этом месте к образованию микротрещин. Можно констатировать, что дефекты строения и несплошности являются концентраторами напряжений, т.е. по краям дефекта напряжения могут существенно отличаться от среднего. Концентрация напряжения (К) тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой:

К = 2 (l/r)^0.5

Не только внутренние дефекты, но и поверхностные, в том числе надрезы различной длины (l) и остроты (r) способствуют концентрации напряжений.

Величина r может быть очень малой, т.е. трещина очень острая, но она не может быть меньше 0.1 нм, т.е. меньше, чем диаметр атома, и надо полагать, что минимальный радиус трещин составляет примерно 10 нм (10 ^-5 мм). Для такой предельно острой трещины величина К составляет:

К 600 200 60

L 1 0.1 0.01

Если такая предельно острая трещина доросла до 1 мм, то в ее вершинах напряжение в 600 раз больше среднего. Если принять теоретическую прочность на отрыв б_теор = Е/10 = 21000 МПа, то при среднем напряжении всего лишь 100 МПа в устье трещины (l = 0,1 мм) возникает напряжение, равное теоретической прочности, и разрушение произойдет путем отрыва одних слоев атомов от других. Начинавшийся лавинный процесс разрушения будет протекать до тех пор, пока трещина не разделит металл, так как по мере роста длины трещины, что следует из приведенного выше уравнения, требуется все меньшее и меньшее напряжение. Разрушение происходит путем образования трещины и ее роста до критической величины. Описанный механизм характеризует так называемое хрупкое разрушение. Гриффитсом было установлено, что существует некоторая критическая длина трещины рост которой происходит самопроизвольно и сопровождается уменьшением энергии в системе. Если трещина будет раскрываться и радиус в ее вершине увеличиваться, т.е. не только l, но и r будет расти, то для ее движения будет требоваться все большее и большее напряжение (если дробь l/r будет уменьшаться). В этом случае трещина так и не достигнет критического размера, хотя может распространяться на все сечение. Такое разрушение является вязким. Весьма часты случаи смешанного разрушения. Рис. 59.

Рис. 59. Хрупкая (а) и вязкая (б) составляющие. Схемы хрупкого (а) и вязкого (б) разрушений (сечение перпендикулярно поверхности излома).