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

5. Хрупкое разрушение

С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее, чем вязкое. Это наиболее опасный вид разрушения, идущий катастрофически быстро и под действием сравнительно низких напряжений. Поэтому сведения о механизме хрупкого разрушения и условиях, которые ему способствуют 11ли его затрудняют, особенно важны.

Как уже отмечалось, металлы и сплавы идеально хрупко (без предшествующей пластической деформации) не разрушаются. Хрупкая трещина так же, как и вязкая, возникает по современным воззрениям в результате пластической деформации. Развитие ее происходит в основном на закрнтической стадии в отличие от вязкой трещины, развитие которой идет стабильно.

Хрупкая трещина при внутризеренном (транскристал-литном) разрушении (трещина скола) обычно распространяется вдоль кристаллографической плоскости с малыми индексами. Например, в металлах с г. п. решеткой - по плоскости базиса, в о. ц. к. решетке - вдоль {001}, иногда, например в ванадии и тантале, вдоль {011}. В металлах с г. ц. к. решеткой образование трещин скола, как правило, не наблюдается.

В отличие от вязкого, хрупкое разрушение может быть не только внутри-, но и межзеренным. Последнее наблюдается особенно часто в сплавах, где по границам зерен располагаются прослойки второй фазы, а также в технических металлах и сплавах, в которых развита равновесная зерно-граничная сегрегация примесей. Сегрегация примесных атомов на границах зерен снижает их поверхностную энергию, облегчая тем самым развитие трещины вдоль поверхности границ.

При межзеренном (интеркристаллитном) разрушении трещина в однофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а при наличии на границах второй фазы - вдоль межфазной поверхности илн вдоль поверхности скола внутри включений. В зависимости от характера распространения трещины структура поверхности разрушения получается различной. Структура поверхности скола при узкой пластической зоне у вершины развивающейся хрупкой трещины резко отличается от вязкого излома. Прп простом осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз, расположенных по границам зерен. Под микроскопом видно, что внутрикристаллитный скол не идеально гладок. На поверхности его обычно имеются сту-

пеньки, придающие структуре вид ручьистых узоров (рис. 70, а). В ноликристаллических образцах вид этих узоров прп переходе от зерна к зерну меняется. Каждая лня речного узора соответствует разнице в уровнях, т. е. ступеньке на поверхности излома.

Появление ступенек в некоторых случаях связано с тем, что разрушение идет путем распространения одновременно нескольких параллельных трещин, которые соединяются друг с другом вследствие разрыва тонких перемычек. Но во многих случаях хрупкое разрушение происходит путем распространения одной трещины (этим оно тоже отличается от вязкого разрушения, при котором развивается множество трещин). В этом случае причиной образования уступов может быть, например, пересечение трещиной винтовых дислокаций, которые располагаются на пути распространения фронта трещины. Если она развивается вдоль кристалла (рис. 71, а) и встречает на своем пути две винтовые дислокации, то после разделения кристалла на две половины поверхность каждой пз них будет содержать две ступеньки (рис. 71, б), что легко представить себе, вспомнив атомную схему винтовой дислокации.

В процессе развития трещины такие ступеньки -могут укрупняться. В результате пересечения множества дислокаций и слияния элементарных ступенек высотой b возникают ступеньки, высота которых достаточна для их выявления при микроскопическом анализе (см. рис. 70, а).

Другой возможный механизм возникновения ступенек на поверхности скола - появление зародышевой микротрещины в одной плоскости и ее постепенный переход в другую плоскость скола с образованием ряда уступов.

Краевые дислокации не могут быть причиной образования ступенек: на малоугловых наклонных границах хрупкая трещина только меняет направление.

Рельеф межзеренного скола в однофазном металле илн сплаве соответствует форме межкристаллитной границы. Обычно он относительно гладкий, а неровности имеют микроскопические размеры и не образуют каких-либо характерных рельефных особенностей (см. рис. 70, б). При наличии на границах зерен выделений избыточной фазы они легко выявляются в структуре излома (см. рис. 70, в). По этой структуре можно более точно, чем при металлографическом анализе поверхности шлифа, оценить истинную форму, размеры и долю межзеренной поверхности, занимаемой частицами второй фазы. На шлифе частицы могут быть тонкими и прерывистыми, так как выявляются их про-

Рис. 70. Микроструктура изломов:

а - хрупкий скол поликристаллического железа (Лоу); б - межзерен-ный хрупкий скол; в - межзеренное разрушение двухфазного сплава (В. Ф. Терентьев); г - квази-скол; д - разрушение по границам зерен; б, г, д - М. Н. Георгиев

извольные сечения, а фрактографический анализ может показать, что поверхность их сильно развита и они занимают значительную часть площади излома. Естественно, такие частицы будут резко облегчать хрупкое межкристаллитное разрушение. По микроструктуре излома можно установить, идет ли разрушение вдоль границы между матрицей и избыточной фазой (тогда выделения будут видны

Рис. 71. Кристалл с винтовыми дислокациями (а) и образование ступенек на поверхности его хрупкого излома после разрушения (б)

ТОЛЬКО на одной поверхности излома, а на второй мы увидим их «оттиски») или распространяется по телу хрупких включений.

В общем случае поверхность скола состоит из совокупности внутри- и межкристаллитных фасеток. Фасетки, образующиеся при раскалывании элементов внутризеренной структуры (целого зерна, субзерна, колонии эвтектики или эвтектоида и т. п.), представляют собой сечение соответствующего элемента структуры по плоскости скола. Межкристаллитная фасетка - это поверхность разрушения одного зерна. На рис. 70, б виден стык трех таких фасеток, которые обычно имеют форму многогранников.

На рис. 69 и 70, а-в показаны простейшие, самые характерные виды структур вязкого и хрупкого излома. Однако при фрактографическом анализе встречается множество других, промежуточных разновидностей структуры изломов, и их идентификация уже более сложна и не так однозначна. Например, при докритическом развитии хрупкой трещины с относительно широкой пластической зоной формируется структура «квазихрупкого» излома с плоскими неглубокими ямками (см. рис. 70, г), похожими на те, которые наблюдаются на стенках вязкого чашечного изло ма. Иногда трещина внутризеренного скола проходит по Границам ЭJeмeнтoв внутризеренной структуры, например

по границам субзерен. В этом случае образуется своеобразный рельеф излома с так называемыми субинтеркристал-литными фасетками (см. рис. 70, д). Часто на поверхности излома одного образца можно увидеть участки с совершенно разной структурой, в том числе типичной для хрупкого и вязкого разрушения. Это отражает известный факт перехода от первоначально вязкого (докритического) характера развития трещины к хрупкому (закритическому) по достижении ею критической длины.

Для правильной трактовки сложных по структуре изломов целесообразно привлекать другие методы их оценки, помимо металлографического анализа. В частности, с помощью рентгеновских методов по интегральному ушнре-нию интерференционных линий можно оценивать степень пластической деформации на поверхности разрушения н глубину пластически продеформированной области. Таким образом можно легко разделять хрупкий и вязкий излом с близкими металлографическими характеристиками (пластическая зона при хрупком разрушении имеет размеры

Таблица!!

Классификация изломов (по М. Н. Георгиеву)

1 -10 мкм, а прн вязком-до нескольких миллиметров).

Существуют различные классификации изломов, часть одной нз них приведена в табл. 11.

Эта классификация не является всеобъемлющей. В нес не включены изломы усталостного разрушения, разрушения прп ползучести, изломы, образующиеся прн разрушении в коррозионной среде. Поэтому табл. И классифицирует только разновидности изломов при однократном статическом и динамическом нагружении на воздухе при комнатной и близких к ней температурах.

Классификация базируется на трех подходах к оценке изломов: по энергоемкости, механизму разрушения и структуре излома. Основой является энергетический подход, объединяющий все элементы классификации. С увеличением работы, затрачиваемой на развитие трещины (главным образом, работы пластической деформации), происходит переход от хрупкого к вязкому разрушению. В качестве меры этой работы можно использовать разные парамечры, например вязкость Gic, Чем больше энергоемкость, тем болььче по размерам зона пластической деформации у вершины-трещины (глубина излома), а размеры этой зоны можно, как уже отмечалось, оценить по рентгеновским данным.

Энергоемкость излома должна находиться в обратной зависимости от жесткости схемы напряженного состояния, отражающей условия нагружения. Действительно, с уменьшением коэффициента мягкости а и увеличением коэффициента трехосности р, которые характеризуют жесткость схемы напряженного состояния (см. гл. I), увеличивается вероятность хрупкого разрушения.

Классификация учитывает два уже известных нам способа формирования поверхности излома: 1) путем зарождения, роста и слияния множества микротрещин и 2) путем зарожедения трещины скола и ее распространени5. Пошкале энергоемкости эти два способа перекрываются, и в результате как раз и наблюдаются структуры изломов, промелуточные между типично хрупкими и вязкими.

Переход от хрупкого разрушения к вязкому

Хрупкое разрушение для любого металлического материала наблюдается лишь прн определенных условиях испытания, обработки или эксплуатации. Склонность к хрупкому разрушению особенно сильно зависит от температуры: чем она ниже, тем обьннш больше вероятность хрупкого разрушения. Поэтому на температурной зависи-