Механизм хрупкого разрушения металла.

Перед хрупким разрушением деталь подвергается значительной упругой деформации. В этих условиях справедлив закон Гука, согласно которому относительная деформация элемента e пропорциональна приложенному к элементу напряжению s и обратно пропорциональна константе Е, характеризующей свойства материала и называемой модулем упругости или модулем Юнга: .

Упругое тело под нагрузкой можно представить в виде сжатой или растянутой пружины. После снятия нагрузки тело принимает прежнюю форму. На восстановление формы расходуется энергия, запасенная в теле при упругой деформации. При возникновении трещины образуется новая поверхность, при этом упругие напряжения в зоне трещины исчезают, а высвобождаемая при этом энергия переходит в зону наибольших концентраций напряжений. Вершина трещины сама является наиболее сильным концентратором напряжений, поэтому основная часть высвобожденной энергии переходит именно туда.

Английским математиком Гриффитсом в 1920 г. была предложена модель развития хрупкой трещины, согласно которой дальнейшее поведение трещины зависит от баланса энергии, затрачивающейся на образование новой поверхности и высвобождающейся вследствие снятия упругих напряжений при развитии трещины. Создание новой поверхности требует энергии, пропорциональной величине новой поверхности. Энергия упругих напряжений, высвобождающаяся при росте трещины, пропорциональна поверхности уже существовавшей трещины. Если высвобождающейся упругой энергии с избытком хватает на разрушение материала в вершине трещины, то при неизменной нагрузке трещина будет самопроизвольно распространяться. Излишек энергии будет переходить в кинетическую энергию и деталь разрушится, по-видимому, с большим шумом. В том случае, если высвободившейся энергии будет недостаточно для создания новой поверхности, Трещина прекратит свой рост и останется неподвижной.

Предельное напряжение, при котором происходит рост трещины, определяется выражением

. (7.3)

Здесь g - поверхностная энергия стенок трещины, отнесенная к единице ее площади; ℓ - длина трещины.

На рис.7.1. показана взаимосвязь длины трещины и предельного напряжения. Для роста малой трещины упругие напряжения в металле должны быть значительно выше, чем для роста большой. В то же время для прекращения роста уже образовавшейся трещины достаточно снизить упругие напряжения, снизив, например, давление пара в трубопроводе.

Модель Гриффитса не учитывает некоторых особенностей деформации твердых тел, поэтому результаты расчетов разрушения сталей по этой модели в ряде случаев существенно отличаются от наблюдаемых на практике.

Венгерский ученый Орован обратил внимание на то, что при развитии трещины в ее вершине появляются пластические деформации, причем эти деформации сосредотачиваются только в тонком слое вблизи трещины, а остальная часть материала вдет себя как упругое тело. Подобное разрушение было названо квазихрупким.

Было показано, что хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных достигается в том случае, если учесть вид нагружения путем использования коэффициентов интенсивности напряжений и ввести поправку на наличие пластической деформации в вершине трещины, формально увеличив длину трещины на половину толщины зоны пластической деформации. По этой схеме сейчас производится оценка возможного развития трещин в элементах оборудования.

Модель разрушения тела с трещинами.

См 28.

Процесс вязкого разрушения.

Вязкое разрушение происходит после значительной пластической деформации. Процесс изменения структуры металла схематично показан на рис. Исходная структура металла, которую можно наблюдать под микроскопом с 1000-кратным увеличением (вид 1), представляет собой сетку из зерен приблизительно одинакового размера. Поле зерен однородно, отсутствуют видимые включения примесей, в частности соединений углерода – карбидов. В некоторых случаях допускается применение металла более низкого качества, в котором присутствует некоторое количество мелких включений, выделяющихся на фоне зерен.

Зарождение и развитие несплошностей начинается на границах зерен. Первые трещины зарождаются всегда с наружной поверхности детали. Характер распределения микроповреждений металла зависит от растягивающего напряжения. При больших напряжениях микроповреждения локализуются вблизи поверхности разрыва, при малых напряжениях – распределяются равномерно по длине образца.

На начальной стадии появляются отдельные поры (вид 2), с увеличением пластической деформации количество пор увеличивается, отдельные поры объединяются в цепочки (вид 3). В дальнейшем цепочки пор вырастают до микротрещин, которые охватывают обширные области материала (вид 4). В процессе деформации возникает несколько параллельных трещин (вид 5), которые развиваются внутрь поперечного сечения до тех пор, пока дальнейшее повреждение не сконцентрируется на одной магистральной трещине. По этой трещине и происходит разрушение детали.