Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

Таблица 10

Типичные значения сопротивления отрыву (Sot) н срезу (tcp) некоторых металлических материалов (по Я. Б. Фридману)

тиром проведены такие лучи для нескольких видов механических испытаний с разным а. Здесь же показаны выраженные через касательные напряжения сопротивления срезу (/ср) и начальной пластической деформации (т), а также сопротивление отрыву 5. в приведенных нормальных напряжениях. Независимость /ср, U и SJ-Ot напряженного состояния является допущением, которое строго не выполняется, особенно в случае объемных напряженных состояний.

Если при нагружеини максимальные касательные напряжения /max достигнут U рзньшс, чем нормальныс 53 сравняются с Sj., то разрушение будет идти путем среза.

В этом случае мы получаем полную диаграмму деформации, на которой при напряжениях тах>/т будет идти более или менее существенная пластическая деформация тах (правая часть диаграммы на рис, 51). Если же прн нагружении прежде, чем начнется пластическая деформация, будет достигнуто условие SS" , то разрушение

будет идти путем отрыва и кривая /max-gmax преждевременно оборвется на упругой стадии деформации.

Если материал настолько хрупок, что /т -/ср, то он при любых условиях нагружения не будет пластически деформироваться. Но среди металлов и сплавов таких материалов нет, у всех /т</ср, и поэтому за счет изменения условий испытания любой из них можно заставить пластически деформироваться.

Линии tr, /ср и Sot обрЗЗуЮТ В ЛСВОЙ ЧЗСТИ ДИЗГрЭММЫ

механического состояния (см. рис. 51) по две замкнутые области, В одной нз них, ограниченной линиями /т и Sot и

соответствующей упругому состоянию, происходит отрыв без предшествующей пластической деформации. Во второй, ограниченной линиями /ср и Sot. разрушение путем от--рыва идет после некоторой пластической деформации.

Таким образом, по диаграмме механического состояния можно оценить:

1) вид разрушения (отрыв или срез);

2) возможность перехода от одного вида разрушения к другому путем изменения схемы испытания илн свойств материала;

3) прочность материала при переходе от упругой к пластической деформации и при разрушении срезом и отрывом.

Все эти оценки являются приближенными, так как при построении диаграмм механического состояния используется ряд упрощающих допущений. Кал<дая диаграмма, строго говоря, относится к какой-то одной точке нагруженного тела С определенным а, так как в разных его точках схема напряженного состояния может быть различной (см. гл. I), При переходе в пластическую область луч напряженного состояния может искривляться из-за перераспределения компонентов тензора напряжений. Эти оговорки, однако, не исключают возможности использовать диаграммы механического состояния для решения ряда практически важных вопросов оценки механических свойств металлов при разных напряженных состояниях.

Внешне хрупкое разрушение отличается от вязкого в первую очередь величиной пластической деформации перед разрушением. Теперь твердо установлено, что любому, в toM числе хрупкому разрушению металлов и сплавов, предшествует какая-то пластическая деформация. Перед хрупким разрушением она обычно намного меньше, чем перед вязким, но четкой количественной границы здесь провести нельзя.

Оба типа разрушения - вязкое и хрупкое - включают в себя две стадии: 1) зарождение зародышевой трещины и й) ее распространение. По механизму зарождения трещин они принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано с энергоемкостью и скоростью распространения трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика, она достигает 0,4-0,5 скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрущения трещина распространяется в основном с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

Энергоемкость вязкого разрушения значительно больше потому, что при развитии вязкой трещины пластическая деформация идет не только вблизи ее вершины, но по значительному объему детали или образца. В результате работа, необходимая для продвижения трещины, здесь значительно больше, чем при развитии хрупкой трещины, когда пластическая деформация локализована в узком слое у ее вершины.

Вторая стадия разрушения, как будет ясно из дальнейшего, является наиболее важной. Именно она в основном определяет сопротивление материала разрушению. По Я. Б. Фридману, процесс разрушения на стадии развития трещины состоит из следующих четырех этапов: 1) пику-бацпонного, на котором скорость распространения трещины постепенно возрастает; 2) периода торможения, характеризующегося замедлением роста трещины; 3) стационарного, когда скорость развития трещины постоянна; 4) ускоренного, иногда лавинообразного периода роста трещины со все возрастающей скоростью вплоть до полного разрушения тела. Первые три периода соответствуют так называемой докритической стадии развития трещины, когда процесс разрушения еще можно контролировать, а четвертый - закрит"ческой стадии распространения трещины, когда окончательное разрушение становится уже трудно управляемым и часто необратимым.

Такое подразделение второй стадии процесса разрушения иа до- и закритическую подстадии имело принципиальное значение для инженерной практики. Если до недавнего времени конструкция с любой трещиной считалась непригодной для эксплуатации, то теперь при конструировании основным становится принцип «безопасного повреждениям, который допускает эксплуатацию при наличии трещин на докритической стадии их развития.

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

Современные представления о разрушении исходят из того, что это процесс, идущий во времени параллельно с деформацией (упругой или пластической). Особенность разрушения заключается в том, что оно является значительно более локальным и структурно-чувствительным, 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.

2. Механизмы зарождения трещин

Как уже отмечалось, атомный механизм зарождения трещин качественно одинаков при хрупком и вязком разрушении. Считается, что микротрещины в момент зарождения имеют длину ~ Ю-"* мм.

Допустим, что для зарождения трещины необходимо после разрыва межатомных связей удалить две вновь образовавшиеся поверхности па одно межатомное расстояние а. Тогда теоретическое сопротивление отрыву 5от - напряжение, необходимое для одновременного разрыва связей между атомами на единице площади - SoT2yla, где v- поверхностная энергия. Поскольку у0,1 Gb, то Sot?0,2G, что примерно вдвое больше критического скалывающего напряжения /кр. Реальные же значения разрушающих напряжений на несколько порядков меньше, т. е. ситуация такая же, как при сопоставлении теоретических и экспериментальных значений /кр. И вновь теория дислокаций позволяв ет объяснить это противоречие. В современных трактовках используется представление о том, что зарождение трещин является результатом сильной локальной концентрации напряжений, чаще всего у дислокационных конфигураций, формируюпихся в процессе предшествующей разрушению пластической деформации.

Наиболее часто трещины возникают у вершин скоплений дислокаций вблизи каких-либо барьеров; включений избыточных фаз, границ зерен, двойников, сидячих дислокаций и т. д. В непосредственной близости от барьера (рис. 52, а) краевые дислокации в плоском скоплении могут под действием напряжений оказаться настолько тесно прижатыми друг к другу, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая мнкротрещина. Эта схема прямо предполагает необходимость некоторой пластической деформации, достаточной для образования дислокацион-

ных скоплений. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения дислокаций, под действием растягивающих напряжений, в результате концентрации касательных напряжений в головной части скопления. Расчеты показывают, что прн действии такой модели трещина возникает при величине локальных касательных напряжений у вершины скопления 10- G. Этому соответствует образование скопления из 10- 10 дислокаций.

Рис, 52. Схемы зарождения трещин у дислокационных скоплений: а - по Стро; б - по А. И. Орлову

Другая разновидность зарождения трещин у барьеров при возникновении скоплений дислокаций в параллельных плоскостях скольжения показана на рис. 52, б.

Механизм зарождения трещин при образовании плоских дислокационных скоплений может быть связан с тепловыми флуктуациями. Если последние вызовут образование

Рис. 53. Схема термофлуктацнонного зарождения трещин в плоском днсло-кационном скоплении (В. И. Владимиров, А. И. Орлов)

двойного перегиба на дислокации, расположенной вслед за головной в скоплении; и эти дислокации окажутся на расстоянии d = b (рис. 53, а), то может произойти раскрытие трещины на длине / глубиной h2b (рис. 53, б, в).

В металлах с о. ц. к. решеткой трещина может образоваться по модели, предложенной Коттреллом (рнс. 54). Допустим, что в растягиваемом образце дислокации с векторами Бюргерса ЧгО- [HI] и /г [Ш] скользят в пересека-

.112

ющихся плоскостях (101) и (101). При встрече этих дислокаций возникает новая, расположенная в плоскости (100):

V2a[Tll]+V2a[lIlKa [001].

Многократное повторение этого взаимодействия приводит к слиянию новых дислокаций а [001], что в конце концов вызывает образование зародышевой трещины. Схема Коттрелла ие требует наличия барьеров для дислокаций в исходном состоянии. Барьеры, а затем дислокационные

Рнс. 54. Схема зарождения трещин в о. ц. к. металлак (Коттр елл)

скопления и трещины образуются в результате пластической деформации.

Иногда трещина образуется не у вершины скопления, а внутри него. Отрыв по плоскости скольжения происходит под действием нормальных напряжений. Они возникают в результате искривления плоскостей скольжения дислокациями, располагающимися в других плоскостях. Искривление поверхности скольжения при сдвиге вдоль нее вызывает появление нормальных напряжений. Эта схема, предложенная В. Л. Инденбомом, реализуется после значительной пластической деформации.

Зарождение трещин может происходить и без дислокационных скоплений. Так, в металлах с г. п. решеткой наблюдается возникновение трещин в результате разрыва

8-458