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

(медь, серебро) образующаяся при растяжении шейка сужается до острия в цилиндрическом или лезвия в плоском образце (см. рис. 63, б, в).

Волокнистое разрушение (см. рис. 63, г) характерно для многих пластичных сплавов, например латуни, в структуре которых имеются грубые частицы избыточных фаз. Трещины здесь развиваются по межфазной поверхности или по телу частиц, обычно более хрупких, чем матрица.

Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование «чашечрюго» излома в шейке растягиваемого образца (см. рис. 63,, 64). Шейка возникает после некоторого равномерного удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном

Рис. 65. Поры И образование центра.пьной трещины в шейке растягиваемого медного образца (Паттик)

объеме. Внутри шейки схема напряженного состояния усложняется по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин.

Зародышевые трещины образуются по одной из выше описанных схем. Чаще всего в технических металлах и сплавах реализуется первая схема зарождения трещин - у скоплений дислокаций вблизи барьеров (различного рода включений), которые всегда содержатся в технических ме-тагплах. Возможно также появление первых трещин внутри хрупких включений, которые разрушаются раньше, чем образуются достаточно мощные дислокационные скопления в матрице. Возникшие несплошности под действием напряжений начинают постепенно расти и по достижении

микронных размеров уже легко выявляются при металлографическом анализе (рис. 65). На начальной стадии вязкого разрушения типичным является наличие множества мелких трещин (пор), концентрирующихся в основном Б центральной части сечения шейки (см. рис. 64, а). По мере растяжения эти мелкие поры сливаются с образованием более крупных (см. рис. 65), и в коьще концов в центре шейки образуется сплошная трещина, плоскость которой в макромасштабе располагается нормально внешнему растягивающему усилию (см. рис. 64,6). Следовательно, образование этой центральной трещины - результат разрушения пу-

Напрлжение Si

расстолние \ Ось Поверх-

образца ность

Рнс. 66. Распределение напря-жени1Г по сечению шейки:

Si - продольное напряжение; 2, 5з - поперечные нормальные напряжения

тем макроотрыва. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор при разрыве перемычек между ними и основной трещиной.

Для того чтобы понять, почему разрушение на начальных стадиях локализуется в центральной части шейки, необходимо проанализировать распределение напряжений по сечению шейки. Как видно из рис. 66, вблизи центра образца все напряжения максимальны. Особенно велико здесь продольное растягивающее напряжение 5i, в то время как ка- • - > сательные напряжения распределены более равномерно. В результате трещины возникают и развиваются в средней части сечения шейки, и здесь же происходит разрушение путем отрыва с образованием центральной трещины.

По достижении центральной трещиной периферийных слоев шейки все напряжения локализуются в этих неразрушенных периферийных участках. Скорость распространения трещины резко возрастает, меняется и направление ее развития. Это направление может оказаться различным в зависимости от структуры и свойств материала. Если дальнейший рост трещины будет идти путем локального сдвига в плоскостях, наклоненных под углом 45 ° к оси растяжения, то в результате появления все новых полос сдвига при развитии центральной трещины (см. рис. 64, в) образуется излом в форме «двойной чашечки» (см. рис. 64, г), что характерно для многих металлов, например алюминия, при температурах от комнатной до 40 К.

Но рост трещины путем непрерывного образования но-рых полос сдвига не всегда возможен. Вместо этого в технической меди, латуни и мягкой стали после возникновения центральной трещины и начала формирования полос сдвига в периферийной зоне шейки внутри этих полос зарождаются новые трещины. В дальнейшем деформация сосредоточивается в ослабленных несплошностями полосах сдвига (см. рис. 64, д) и конечное разделение образца на две части происходит путем среза вдоль них, образуется излом в форме чашечки с конусом (см. рис. 64, е). Если составить две половины образца после такого разрушения, то конус и чашечка полностью не совпадут. Отсюда следует, что конические поверхности не просто скользят друг относительно друга под действием касательных напряжений, но и несколько расходятся под действием растягивающих. На всех этапах развитие вязких трещин является докрити-ческим и сопровождается сильной пластической деформацией, которая н контролирует скорость вязкого разрушения. Закритическое развитие трещины при вязком разрущении - явление относительно редкое, встречающееся только в некоторых высокопрочных материалах.

Поскольку зарождение трещин прн вязком разрушении металлических материалов чаще всего происходит у включений избыточных фаз, величина пластической деформации перед разрушением сильно зависит от их количества. Из рис. 67 видно, как чувствительно относительное сужение меди к объемной доле частиц различных избыточных фаз. Таким образом, уменьшение числа таких частиц - один из эффективных методов задержки вязкого разрушения. При наличии инородных включений, что в большинстве случаев неизбежно, зарождение трещин можно в значительной мере подавить наложением всестороннего (гидростатического) давления на растягиваемый материал. В этом случае эффект достигается за счет уменьшения жесткости схемы напряженного состояния.

Зародившиеся у включений вязкие трещины при обнаружении их в световом микроскопе имеют сначала довольно равноосную форму, но по мере продолжения деформации они растут, вытягиваясь вдоль оси растяжения.

Следует отметить, что в очень чистых металлах, где Практически отсутствуют включения избыточных фаз, а также в металлических материалах технической чистоты еще до начала формирования шейки может идти зарождение трещин в результате пластической деформации у границ зерен, дислокационных и других барьеров, а также

внутри полос скольжения. По данным В. И. Бетехтина и Ф. Шмидта, в приповерхностных слоях деформированных поликристаллических образцов из чистых алюминия н никеля плотность субмикротрещин размером (1-нЗ)-10" см составляет 10-Ю см-. Многие из них в дальнейшем залечиваются, а некоторые растут.

1/7 <

+ Cu+Fe+Mo о Си >Си + Сг d Cu + Al л Си + Fe v Cu + Mo А Си +А1 • Cu + SiOa

Рис. 67. Зависимость относительного сужения меди от объемной доли пустот и включений f (Эделсон. Бодуин)

Механизмы докритического подрастания зародышевых микротрещин могут быть различными (рис. 68). По Оро-вану (см. рис. 68, а) рост ранее образовавшейся трещины

а 5 s

Рис. 68- Схемы докритического роста микротрещин

инициируется напряжениями от скользящих неподалеку дислокаций. Модель Паркера (см. рис. 68, б) предполагает рост трещины в результате встречи двух полос скольжения вблизи ее поверхности. Возможен механизм роста (см. рис. 68, в) каким-то образом зародившейся трещины в результате слияния ее с трещиной, образующейся по схеме Коттрелла (см. рис. 54). На рис. 68, г показана предложенная А. Н. Орловым схема разрастания зародышевых трещин в результате блокировки полос скольжения каким-либо барьером, например границей зерна. Дислокационный источник S, генерирующий дислокации, оказывается запертым обратным полем упругих напряжений от дислокационного скопления. Если в районе заблокированной Полосы скольжения имеется микротрещина, то дислокации из скопления будут стекать к ней, разблокируя тем самым источник, который вновь молсет генерировать дислокации. Так, скачками, трещина будет постепенно расти.

Важной особенностью вязкого разрушения является образование и рост множества микротрещин, некоторые из которых сливаются друг с другом. При этом в металлах проходит существенная пластическая деформация перемычек, разрушающихся при слиянии соседних микротрещин. Эта деформация может быть значительно больше, чем вдали от трещин.

Вязкое разрушение бывает, как правило, внутризереп-ным. Даже если трещина зарождается у границы зерна, при дальнейшем росте траектория ее движения проходит по телу кристаллита.

Рассмотренные особенности вязкого разрушения отражаются на структуре поверхности разрушения. При визуальном осмотре невооруженным глазом она обычно матовая, неровная, часто со следами пластической деформации в виде грубых полос скольжения. Тонкую структуру излома выявляют с помощью фрактографического анализа - исследования структуры поверхности разрушения в световом и просвечивающем (при помощи реплик) или сканирующем электронном микроскопах. Фрактографический анализ, получивший широкое развитие в последние годы, дает важную информацию о механизме разрушения. На рис. 69 показаны типичные примеры микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных ямок. Диаметр их колеблется в диапазоне 0,5-20 мкм. Глубина ямок, характеризующая размеры области пнтенсивиой пластической деформации, на вязком изломе в зоне макроотрыва может быть довольно велика

(несколько Микрометров). Ямки на поверхности вязкого излома являются результатом образования, роста и слияния множества микропор (трещин). На поверхности разрушенных перемычек, а также на дне некоторых пор часто видны линии скольл<ення, образовавшиеся прн пластической деформации перед разрушением. На дне многих ямок выявляются частицы избыточных фаз (включения сульфи-

Рис. 69. Микроструктура п&верхиости вязкого излома:

а - хромоиикелевая сталь, реплика (Хоникомб); б - алюминиевый

1201Т1, сканирующий электронный микроскоп (С. И. Кишкина)

сплав

дов на рис. 69, а), что как раз п служит доказательством возникновения большинства зародышевых трещин у этих включений.

На «стенках» чашечного излома наблюдаются сильно вытянутые ямки, а также области, не имеющие характерных особенностей структуры. Эти области также имеются на поверхности разрушения чистым сдвигом. Они являются результатом разрушения металла вдоль поверхности локализованной интенсивной пластической деформации скольжением.

Общего количественного критерия вязкого разрушения не существует. Для ограниченного интервала условий таким критерием может служить величина либо деформации, либо минимального нормального или касательного напряжения, достаточного для развития вязкого разрушения.

9* 131