10. Вязкое разрушение

Вязкое разрушение происходит обычно после значительной пластической деформации в десятки процентов. Его главными особенностями являются медленное развитие трещин и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации материала у вершины трещины. Поэтому вязкое разрушение наименее опасный, можно сказать, желательный вид разрушения, и ему уделяют не так много внимания, как хрупкому. Тем не менее, анализ вязкого разрушения очень важен. Он позволяет лучше понять механизм хрупкого разрушения и принять меры по его предотвращению. Вязкое разрушение важно при анализе поведения металлов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации, и разрушение, в том числе вязкое, недопустимо.

Вязкое разрушение в зависимости от материала, геометрии образца, способа и условий нагружения развивается различными способами. Поэтому различают виды вязкого разрушения, показанные на рис. 10.1. Путем среза (рис. 10.1 а), которое часто наблюдается при растяжении монокристаллов с гексагональной решеткой, таких металлов как Zn, Cd. Поверхность излома здесь имеет вид одностороннего клина. В этом случае говорят о разрушении чистым сдвигом, и объясняется оно продолжительной пластической деформацией базисным скольжением в нескольких достаточно удаленных друг от друга полосах. Окончательное разрушение происходит в результате разрыва по плоскости скольжения.

При растяжении плоских образцов из малопластичных металлов и сплавов, например, высокоуглеродистой стали, также часто наблюдается разрушение путем среза. В отличие от чистого сдвига в этих разновидностях среза получается менее гладкая поверхность разрушения.

В образцах из пластичных металлов сдвиг чаще происходит вдоль двух перпендикулярных плоскостей скольжения, где действуют максимальные касательные напряжения. В результате у чистых монокристаллов с ГЦК решеткой (Cu, Ag) образующаяся при растяжении шейка сужается до острия в цилиндрическом или лезвия в плоском образце (рис. 10.1 б, в).

Волокнистое разрушение (рис. 10.1 г) характерно для многих пластичных сплавов, например, латуни, в структуре которой имеются грубые частицы избыточных фаз. Трещины здесь развиваются по межфазной поверхности или по телу частиц, обычно более хрупких, чем матрица.

Рис. 10.1. Формы излома образцов при вязком разрушении после растяжения

Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование «чашечного» излома в шейке растягиваемого образца (рис. 10.1 д). Шейка возникает после некоторого равномерного удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном объеме. Внутри шейки схема напряженного состояния усложняется по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин (рис. 10.2). При «чашечном» изломе в центре растягиваемого образца в зоне максимальных напряжений образуется трещина, которая в дальнейшем растет, присоединяя мелкие поры (рис. 10.3).

Рис. 10.2. Схема формирования чашечного излома: а) образование микротрещины; б) рост трещины; в) рост трещины вдоль плоскостей локализованного сдвига; г) разрушение по типу «двойная чашечка»; д) перераспределение пор вдоль ослабленной полосы сдвига; е) разрушение «чашечка-конус»

Однако окончательный вид разрушения зависит от последней стадии. Если в периферийных зонах сдвига происходит сдвиг по плоскостям под углом 45° к растягивающим напряжениям, то излом выглядит в виде двух чашек. Такой вид излома характерен для пластичных материалов. Если же в периферийных зонах активно образуются мелкие трещины, то разрушение происходит по схеме «чашка-конус» (рис. 10.2 е). Такой излом характерен для углеродистой стали.

Рис. 10.3 Схема чашечного излома: а – распространение чашечного излома, б – образование удлиненных чашек