Основные виды разрушения металлов. Хладноломкость

Введение

Целью данной работы является рассмотрение основных видов разрушения металлов, а также понятия об хладноломкости.
Процесс разрушения металла начинается с образования трещин субмикроскопических размеров, дальнейший рост которых приводит к окончательному макроскопическому разделению образца или конструкции.
Реальное строение металлических материалов позволяет рассматривать их как тела, содержащие трещины.
Трещинами могут быть, например, разнообразные дефекты кристаллической структуры типа пор, скоплений дислокаций и вакансий Но трещины могут иметь не только структурное, но и конструкционное происхождение, например, резкие переходы сечения, острые кромки, отверстия в конструкциях, являющиеся концентраторами напряжений. Кроме того, трещина зарождается на стадии пластической деформации, предшествующей разрушению. По мере повышения напряжений извне в локальной области впереди вершины трещины начинает протекать пластическая деформация, которая, с одной стороны, снимает концентрацию напряжений, вызванную наличием трещины, а с другой - приводит к образованию микроскопических трещин впереди магистральной трещины, облегчая её продвижение.
Поэтому изучение поведения металлов при воздействии на него различных эксплуатационных факторов, с учетом наличия в нем трещин, является более актуальным подходом при оценке механических свойств материалов, чем традиционный подход, связанный с определением стандартного набора механических характеристик, без учета присутствующих в металле несплошностей.
Трещина не просто уменьшает рабочее сечение детали или конструкции, а приводит к существенному перераспределению напряжений в теле: впереди вершины трещины может возникнуть превышение напряжения в сотни раз. Именно трещина, как тип дефекта, или слабое сопротивление материала распространению в нём трещины, при воздействии внешних факторов, является причиной катастрофического разрушения.
Частным случаем разрушения металла является его разрушение под действием низких температур. Характеристикой такого разрушения металла является хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры до определенного значения. Таким образом отсутствие хладноломкости является важнейшим требованием, определяющим пригодность материала для низкотемпературной службы.

1. Виды разрушения металлов

Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит или в результате развития нескольких трещин или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой происходит полное разрушение.
Разрушение, в зависимости от признака, выделенного при его рассмотрении, можно классифицировать на различные виды. При этом один и тот же тип разрушения может иметь несколько названий.
Если при определении характера разрушения выделяется степень пластичности, реализованная к моменту разрушения, то разрушение разделяют на хрупкое, квазихрупкое и вязкое.
Если разрушение связывают с условиями нагружения, то подразумевают усталостное, при ползучести ит.п.
Если выделяют структурный фактор, то различают внутризерениое (транскристаллитное), межзеренное (интеркристаллатное) или смешанное разрушение.
Если разрушение связывают с напряженным состоянием, то имеют в виду разрушение отрывом, разрушение сдвигом.
Если хотят сказать о кинетике процесса, то различают стабильное (задержанное) и нестабильное разрушение.

1.1. Классификация видов разрушения через степень пластичности, реализованную к моменту разрушения
Установлено, что процесс разрушения связан с процессом пластической деформации и развивается во времени в локальных объемах металлах. При рассмотрении процессов пластической деформации и собственно разрыва межатомных связей, определяющих разрушение в качестве критерия для идентификации видов разрушения, используется значение энергии активации процесса, который контролируют скорость разрушения.
В соответствии с кинетической концепцией, процесс разрушения связан временной зависимостью с прочностью и термофлуктуационным разрывом межатомных связей.
Рассматривая разрушение как процесс, развивающийся во времени, т.е. процесс накопления каких-то нарушений, можно представить долговечность тел под нагрузкой Ϭ при помощи уравнения:
= 0еU(Ϭ)kT,
где энергия активации разрушения U(Ϭ) = U0– Ϭ; k-постоянная Больцмана; T-абсолютная температура,-показательлокальной концентрации напряжений в нагруженном теле; 0 =10-13c;U0 - начальная энергия активации разрушения, численно равная теплоте сублимации. Данная зависимость получила название уравнения Журкова.
Уравнение Журкова можно переписать в следующем виде:
Ϭ = U0-kTln/0, тогда прочность следует оценить величиной U0/.
Временная зависимость прочности может быть связана со степенью локализации пластической деформации в отдельных микрообъёмах металла и её развитием
Временная зависимость прочности может быть обусловлена термически активируемым движением дефектов кристаллической решетки, когда в процессе деформации происходит накопление дефектов на микроскопическом уровне, переход через критическое состояние и образование магистральной трещины, распространение которой приводит к завершению процесса.
Взаимосвязь процессов пластической деформации и разрушения можно искать и в анализе значений термоактивационных параметров.
Таким образом, существующие взгляды на процесс разрушения основаны на взаимосвязи процессов деформации и разрушения и сводятся к нескольким точкам зрения, а именно:
процесс разрыва межатомных связей является ведущим на всехстадиях разрушения;
процесс пластической деформации является ведущим на всех стадиях разрушения и определяет временную зависимость прочности;
процесс разрушения является ведущим на стадии нестабильного роста трещины;
процесс пластической деформации определяет разрушение в условиях, когда реализуется ведущий элементарный механизм с энергией активацией, равной энергии объемной самодиффузии (U0). Если же реализуется ведущий элементарный механизм с энергией, близкой к энергии активации разрыва межатомных связей (U0Ϭ), то разрушение контролирует пластическую деформацию.
Последняя точка зрения является более обшей, если считать, что ведущий механизм контролирует скорость процесса разрушения. Причем на различных стадиях разрушения процессы, контролирующие скорость разрушения, могут быть различными.
В этой связи при разрушении металлов могут быть выделены два ведущих процесса – разрыв межатомных связей с энергией активацией U0= U0Ϭ и пластическая деформация с энергией активацией U0 = U0U0Ϭ

. Если скорость процесса разрушения на всех стадиях повреждения контролируется пластической деформацией с энергией активации U0 , то такое разрушение следует относить к вязкому разрушению. Если скорость процесса разрушения на всех стадиях контролируется разрывом межатомных связей с энергией активации U0Ϭ, то такое разрушение следует квалифицировать как хрупкое.
При такой классификации квазихрупким следует считать разрушение, скорость которого на стадии зарождения трещины контролируется процессом разрыва межатомных связей с энергиейактивации U0Ϭ, а на стадии распространения — пластической деформацией с энергией активации U0.
Если же на стадии зарождения трещины скорость процесса разрушения контролируется пластической деформацией(U0=U0),а на стадии распространения разрывом межатомных связей (U0 =U0Ϭ),то такое разрушение следует считать квазивязким.
Однако, указанная классификация охватывает фактически лишь разрушения, развивающиеся в условиях действия термоактивируемых процессов и потому неприменима к анализу разрушений в области низких температур и высокоскоростных нагружений. Кроме того, надо иметь в виду, что понятие энергии активации относится к таким процессам, когда имеется некоторый потенциальный барьер, который должен быть преодолен для развития рассматриваемого процесса флуктуационным путем. Поэтому получающиеся при таком подходе формулы носят вероятностный характер.

1.2. Классификация видов разрушения по их кристаллографическим признакам
Существует и иная классификация разрушения - классификация видов разрушения по их кристаллографическим признакам. В соответствии с ними он различает: разрушение сколом, когда поверхность разрушения совпадает с плоскостью скола, разрушение срезом, когда она совпадает с плоскостью сдвига; и интеркристаллитное разрушение, когда трещина, разделяющая тело на части, развивается по границам зерен. Однако, в пределах каждого излома, даже на монокристаллическом материале можно обнаружить как участки скола, так и участки сдвига. Кроме того, по этой классификации игнорируются все другие особенности разрушения, за исключением кристаллографии поверхностей излома
Также существует классификация видов разрушения, использующая сочетание двух признаков: 1) характера разрушения, который определяется по типу микроструктурных деталей, преобладающих на фрактограмме излома; 2) места локализации в структуре материала поверхности разрушения. В соответствии с первым признаком они различают хрупкое, квазихрупкое и вязкое разрушения. А в соответствии со вторым признаком - внутрикристаллитное и межкристаллитное разрушения. Комбинируя указанные признаки, авторы предлагают разбить все возможные разрушения на шесть видов: 1) хрупкое транскристаллитное; 2) квазихрупкое транскристаллитное; 3) вязкое транскристаллитное; 4) хрупкое зернограничное; 5) квазихрупкое зерногрзничное; 6) вязкое зернограничное.
Достоинством данной классификации является то, что она прямо опирается на данные фрактографического анализа. Однако и эта классификация имеет ограничения в применении, т.к. затруднительно дать интегральную оценку вида разрушения отдельных фрагментов излома.

1.3. Классификация видов разрушения с точки зрения микроструктуры
С точки зрения микроструктуры существует два вида разрушения – транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.
При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким. Надо отметить, что межзеренное разрушение присутствует всегда, но больше проявляется при хрупком разрушении.
По внешнему виду излома различают:
1. Кристаллический (светлый) излом, поверхность разрушения которого характеризуется наличием блестящих плоских участков. Такой излом свойственен хрупкому разрушению;
2. Волокнистый (матовый) излом, поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы - волокна, образующиеся при пластической деформации зерен в процессе разрушения. Этот излом свидетельствует о вязком разрушении.
3. Смешанный тип разрушения показан на рисунке.
Изучение тонкой структуры излома с помощью электронного микроскопа (микрофрактография) позволяет более уверенно судить о вязком или хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется ямочным («чашечным») изломом; ямка - микроуглубление на поверхности излома, возникающее в результате образования, роста и слияния микропустот. Глубина ямки определяется способностью металла к локальной пластической деформации.
Излом при хрупком разрушении имеет ручьистый узор, представляющий собой систему сходящихся ступенек скола, образующихся в результате деформации разрушения перемычек между хрупкими трещинами, распространяющимися путем скола по параллельным, близко расположенным кристаллографическим плоскостям.
Вязкий, чашечный и хрупкий ручьистый относятся к транскристаллитному разрушению. При исследовании на электронном микроскопе хрупкое разрушение, идущее по границам зерен, выявляется в виде гладких поверхностей, так называемых фасеток зернограничного скольжения, часто с некоторым количеством выделившихся частиц.
Межзеренное скольжение облегчается при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы.

1.4. Обобщенная классификация видов разрушения по признакам
Таким образом, единой стройной классификации видов разрушения нет и приведенный выше перечень не исчерпывает всех имеющихся названий типов разрушения. Большинству разрушений присуще одновременно несколько видов, поэтому тип разрушения выбирают по преобладающему признаку.
Ниже в таблице 1 перечислены признаки, по которым можно осуществлять классификацию видов разрушения. В соответствии с этой таблицей удобно различать хрупкие и пластические виды разрушения, а также и смешанный вид.
Таблица 1. Признаки видов разрушения
Признаки Виды разрушения

Хрупкое Пластическое
Тип диаграммы растяженияобразцов
Механические свойства Ϭϯ Ϭ0,2 ;
0; 0 Ϭϯ ϬВ;
0
Макрогеометрия излома
Ориентация поверхности излома Нормальна к главным напряжениям Вытянута в направлении главныхнапряжений
Кинетический Скорость распространения трещины близка к скорости звука Скорость разрушения мала
Энергетический (А- работа разрушения) А 0 А 0
Фрактографический Фасетки скола Ямочный или ножевидный излом
Кристаллографический Поверхность излома образована в основном плоскостями скола Поверхность излома образована в основном плоскостями скольжения
Степень развития разрушения Начальное - поверхность трещины значительно меньше площади сечения тела; развитое, в т.ч