Особливості крихкого руйнування

 

Практично в будь-якому матеріалі, який би він не був пластичний при статичних випробуваннях, може відбутися крихке руйнування, якщо в ньому при навантаженні одночасно утвориться множина активних дефектів – недосконалостей кристалічної гратки, наприклад дислокацій.

Тріщина стає нестабільною і починає поширюватися, коли її довжина перевищує критичне значення за рівнянням Гріффіітса. Швидкість поширення тріщини - , де С₀ – швидкість поширення пружних подовжніх хвиль у матеріалі.

При такій швидкості поширення тріщини, значення напруження достатнього для руйнування атомних зв'язків у вершини тріщини досягаються за час одного періоду коливань атомів. Швидкості поширення тріщин у різних матеріалах наведено у табл. 2.1.

 

Таблиця 2.1 - Швидкості поширення тріщин у різних матеріалах

Матеріал	Швидкість поширення тріщини, 10^-3м/сек
Сталь	1,0 – 1,8
Скло	1,5 – 2,0
Целюлоза	0,3 – 0,4
Силіконова гума	0,007 – 0,008

 

Финкель В.М. визначив методом прискореної кінозйомки, що в крихкому металі тріщина на докритичній стадії процесу руйнування рухається зі швидкістю ~ 1 мм/год, а після досягнення критичного розміру - 10000 км/год.

Приклади:

1. Танкер розламався навпіл у тиху погоду. Тріщина зародилася біля гострого кута люка, моментально проскочила через палубу по обох бортах до самого кіля.

2. Досить страшну картину показують випадки крихкого руйнування магістральних газопроводів. Тріщина поширюється уздовж трубопроводу зі швидкістю реактивного літака, пробігаючи без зупинки десятки кілометрів.

Такі руйнування приносять колосальний збиток, і часто приводять до людських жертв.

Крихкі злами, як правило, виникають від дії нормальних напружень, чим визначається їх макро і мікроорієнтування, проте відомі випадки крихкого руйнування і від дотичних напружень, що частіше спостерігається в литих металах і сплавах.

У багатьох кристалічних тілах при низьких температурах порушення суцільності відбувається у формі крихкого руйнування або відколу. Більш схильні до крихкості кристали з іонним і ковалентним зв'язком.

Відкол, як вид руйнування уявляє собою роз’єднання по певним кристалографічним площинам, що відбувається в металах, які мають невелику здатність до поперечного ковзання або не мають її зовсім.

Руйнування у виді істинного відколу спостерігається в металах з ОЦК граткою, зокрема в Fe, Mo, Cr, V, W, і Ta, де його поява пов'язана з наявністю атомів втілення. У металах із ГЦК граткою такого руйнування не виявлено. У металах із ГЩП граткою (Zn, Mg, Ti, Be) подібний вид руйнування виявлено при від’ємних температурах. Метали з іншими типами кристалічної гратки часто є крихкими - Bi, Sb (ромбоедрична). Неможливо встановити єдиний критерій, який би дозволив визначити площини руйнування, наприклад, як площина з найбільш щільним пакуванням або з найменшою поверхневою енергією. Проте метали з подібними кристалічними гратками поводяться однаково. Типові площини відколу металів, що мають різні типи граток наведено у таблиці 2.2.

 

Таблиця 2.2 - Типові площини відколу деяких металів

Метал	Кристал. гратка	Площина руйнування	Метал	Кристал. гратка	Площина руйнування
Fe	ОЦК	(001)	Zn	ГЩП	(0001)
Mo	ОЦК	(001)	Be	ГЩП	(0001)
V	ОЦК	(110)	Sb	Ромбоэд- рична	(111)

 

Розвиток крихких тріщин, відбувається з великою швидкістю і це повинно було б приводити до утворення двох ідеально плоских поверхонь (площин відколу). У деяких випадках дійсно утворюються дзеркальні поверхні, проте частіше на поверхні зламу чітко виявляються нерівності - так званий, струмковий або річковий візерунок (рис. 2.1, 2.2).

 

 

Рисунок 2.1 - Струмковий злам

 

 

 

Рисунок 2.2 - Поверхня руйнування монокристала цинку з «струмковим візерунком», отримана в результаті руйнування в рідкому азоті, ´100

 

Можливі причини утворення нерівностей:

- якщо зародкова тріщина перебуває не в площині відколу, то вона поширюється як би сходами, тобто площина поширення тріщини розбивається на ряд ділянок, для того щоб частина з них розташовувалася в площинах з найменшою енергією;

- якщо тріщина зустрічає на своєму шляху значне число гвинтових дислокацій, то відповідно зростає число сходинок відколу.

Існує зв'язок між рельєфом «струмкового візерунка» і швидкістю поширення тріщини - чим з меншою швидкістю рухається тріщина, тим більш рельєфний утворюється візерунок.

На поверхні дуже крихких зламів можуть спостерігатися лінії Вальнера (рис.2.3), що уявляють собою системи паралельних сходів, які пересікаються. Лінії Вальнера утворюються внаслідок взаємодії фронту тріщини і фронту пружної хвилі, відбитої від якого-небудь дефекту або перешкоди для розвитку тріщин. Вони частіше спостерігаються у крихких неметалевих матеріалах.

 

Рисунок 2.3 - Лінії Вальнера (між білими стрілками) на поверхні руйнування алюмінієвого сплаву, ´100

 

При злитті магістральної (основної) тріщини з додатковими тріщинами по площинам двійникування у зламі утворюються «язички», при злитті по лініях ковзання – «трісочки», які уявляють собою дуже тонкі відщіплення металу та мають чітко виражений кристалографічний напрямок.

Міжзеренне руйнування є мало пластичним. Найбільш очевидна ознака міжзеренного руйнування полягає в наявності рельєфу по межах зерен. Крихке міжзеренне руйнування гладких зразків при статичному навантаженні при 20°С спостерігається, як правило, внаслідок окрихчення границь зерен частинками крихкої фази і, або домішок (рис. 2.4,.).

 

Рисунок 2.4 - Мікрочастинки крихкої фази, які розташовані по межам зерен, ´2400