9. Общая характеристика разрушения

В большинстве случаев деформация по достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения начинается с образования трещин субмикроскопических размеров и заканчивается разделением образца или конструкции на отдельные части. Ряд важнейших механических свойств металлов и сплавов характеризует их сопротивление разрушению – величину работы деформации до разрушения.

В макроскопических теориях прочности различают введенные Н.Н. Давиденковым два вида разрушения:

- отрыв, как результат действия растягивающих напряжений;

- срез, как результат действия касательных напряжений.

В таблице (раздел 3) представлены схемы ряда испытаний. Пользуясь ею, можно по внешнему виду разрушенных образцов определять вид разрушения (отрыв или срез), что в некоторых случаях имеет практическое значение. Но представленные в данной таблице схемы разрушения могут быть реализованы лишь в том случае, когда заданная изначально схема напряженного состояния не меняется в процессе испытания вплоть до разрушения. На самом деле схема напряженного состояния может меняться как в процессе пластической деформации (например, образование шейки), так и в ходе разрушения в результате развития трещин. Поэтому вид разрушенных образцов часто отличается от предсказываемого. В таких случаях необходимо изучать направление развития трещин на начальных стадиях разрушения. Если схема напряженного состояния в процессе деформации не меняется вплоть до разрушения, то по этим направлениям можно оценить, начинается ли разрушение под действием нормальных или касательных напряжений.

Считается, что отрыв может произойти без предварительной макропластической деформации, в то время как разрушению путем среза такая деформация всегда предшествует. Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез – вязкому (пластичному) разрушению. Именно на эти два типа подразделяется большинство случаев разрушения металловедении. Кроме хрупкого и вязкого, рассматриваются еще два специфичных типа разрушения – усталостное и при ползучести.

Условия перехода от хрупкого отрыва к вязкому срезу в механике описываются различными схемами механического состояния, отражающими зависимости между напряжениями и деформациями в различных условиях нагружения. Наиболее универсальной является диаграмма механического состояния, предложенная Я.Б. Фридманом, показанная на рисунке. Диаграмма учитывает, во-первых, способ нагружения через коэффициент мягкости схемы напряженного состояния, во-вторых – отношение сопротивления отрыва к сопротивлению среза. Если сопротивление отрыву меньше сопротивления срезу, то материал склонен к хрупкому разрушению путем отрыва, если сопротивление отрыву больше сопротивления среза, то наблюдается вязкое разрушение путем среза.

Диаграмма механического состояния состоит из двух частей. Левая служит для оценки жесткости схемы напряженного состояния, правая является кривой деформации.

По диаграмме можно оценить:

- вид разрушения (отрыв или срез):

- возможность перехода от одного вида разрушения к другому путем изменения схемы испытания или свойств материала;

- прочность материала при переходе от упругой к пластической деформации и при разрушении срезом или отрывом.

Внешне хрупкое разрушение отличается от вязкого в первую очередь величиной пластической деформации перед разрушением. Твердо установлено, что любому, в том числе хрупкому разрушению металлов и сплавов, предшествует пластическая деформация.

Перед хрупким разрушением она намного меньше, чем перед вязким, но четкой количественной границы здесь провести нельзя.

Диаграмма механического состояния материалов: А – очень твердых; Б – твердых; В – мягких. При различных способах нагружения: 1 – вдавливание; 2 – сжатие; 3 – кручение; 4 – растяжение

Оба типа разрушения и вязкое, и хрупкое включают две стадии: первая – образование зародышевой трещины; вторая – ее рост и распространение. Механизмы зарождения трещин принципиально не различаются для обоих типов разрушения. Существенное качественное различие между вязким и хрупким разрушением связано с энергоемкостью и скоростью распространения трещины. При хрупком разрушении скорость распространения трещины очень велика и достигает 0,4-0,5 скорости звука. При вязком разрушении скорость распространения трещины мала и соизмерима со скоростью деформации материала.

Энергоемкость вязкого разрушения значительно больше потому, что при развитии вязкой трещины пластическая деформация идет не только вблизи ее вершины, но и в значительном объеме материала вокруг трещины. В результате работа, необходимая для продвижения вязкой трещины оказывается значительно больше, чем при развитии хрупкой трещины, при продвижении которой пластическая деформация локализована в узком слое материала у ее вершины.

В поликристаллах трещина при разрушении может распространяться по телу зерна или вдоль границ. Соответственно различают внутризеренное (транскристаллитное) и межзеренное (интеркристаллитное) разрушение. При низких температурах межзеренное разрушение наблюдается обычно в хрупких материалах и обусловлено наличием на поверхности границ зерен хрупких избыточных фаз или сегрегации примесей. Такое разрушение может происходить и при повышенных температурах в условиях интенсивного развития межзеренной деформации. Склонность к межзеренному разрушению усиливается по мере уменьшения скорости деформации.

Современные представления о разрушении исходят из того, что этот процесс, идет параллельно с упругой или пластической деформацией. Особенность разрушения заключается в том, что оно является значительно более локальным и структурночувствительным, чем все виды деформации. Действительно, развитие трещины определяется структурой и свойствами материала в непосредственной близости (на микронных расстояниях) от ее вершины. Таким образом, характеристики макроразрушения образца или конструкции определяются локальными процессами в микрообъемах.