Виды разрушения, вязко-хрупкий переход. Динамические испытания на ударную вязкость

5.4. Вязко-хрупкий переход

Виды разрушения металлов. При воздействии монотонно нарастаю­щей нагрузки возможно разрушение двух основных видов: хрупкое и вязкое. На практике чаще имеет место смешанное разрушение, одновременно об­ладающее чертами и хрупкого и вязкого разрушения. Склонность к тому или иному виду разрушения материала определяется тем. с какой скоростью возникшая трещина будет затем развиваться. При хрупком разрушении трещина растет с очень высокой скоростью, достигающей 0, 4 - 0, 5 от скоро­сти распространения звука в разрушаемом материале, скорость роста «вяз­кой» трещины очень мала.

Вязкое разрушение.

Примером вязкого разрушения является образование «чашечного» излома при испытании металлического образна на растяжение. При лока­лизации деформации при образовании шейки появляются радиальные рас­тягивающие напряжения и возникает объемное напряженное состояние, способствующее возникновению и развитию микротрещин. Последние в процессе своего роста могут образовывать микропоры. В итоге в центре шейки образуется сплошная трещина, перпендикулярная оси образца.

При растяжении образца можно выделить следующие основные ста­дии разрушения: 1 — на образце формируется шейка и в этой области возни­кает пористость: 2 — поры в центре шейки объединяются в трещину, распо­ложенную перпендикулярно к направлению приложенного напряжения; 3 - когда трещина трещина вблизи поверхности ее распространения меняется на 45° и контролируется действием касательных напряжений.. На рис.5.6 показано образование внутренней трещины в области пористости в шейке образца высокочистой меди. Рост трещины происходит путем присоедине­ния новых пор при разрыве перемычек между ними, в результате форми­руется ямочный рельеф.

Рис. 5.6. Образование пористости и знутренней трещины 8 шейке образца при растяжении полукристаллической высокочистой меди. 9 х (£ Puttick, 1959}

Рис. 5.7. Участки внутризеренных (а) и межзеренных (б) сколов на усталостных изломах стали 15 Х25Т (Романов Q.H. и др.)

В поликристаллических материалах возникшая трещина может затем распространяться либо по телу зерна, либо по его границам, что соответст­вует внутризеренному (транскристаялитному) и межзеренному (интеркри- сгаллитному) разрушению (рис. 5.7). Межзеренное разрушение, хак прави­ло, является хрупким.

Хрупкое разрушение вызывается действием относительно небольших растягивающих напряжений, обычно не превышающих предел текучести. Для протекания и завершения этого типа разрушения не требуется подвода энергии извне - достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся конструкции. Поверхность хрупкого излома перпендикулярна максималь­ным растягивающим напряжениям (отрыв или скол), а само разрушение сопровождается незначительной пластической деформацией, предшест­вующей разрушению. Хрупкое разрушение наступает вследствие катаст­рофического распространения трещины и приводит к формированию по­верхности разрушения, главным структурным элементом которой являют­ся фасетки скола (рис.5.7,.б).

На рис. 5.8 показаны схемы изломов образцов из углеродистой стали, испытанных динамическим ударом при разных температурах. Как прави­ло. в изломе присутствуют элементы структуры, присущие различным ви­дам разрушения. На рис. 5.8, а приведен идеализированный случай — при высокой температуре разрушение полностью вязкое с развитой пластиче­ской деформацией (макроутяжка образца) и ямочным характером рельефа поверхности разрушения (В * 100 %). При понижении температуры вели­чина макропластической деформации уменьшается и в структуре излома появляется четко ограниченный участок с блестящей поверхностью (рис.

Рис. 5.8.Влияние вида разрушения на формун структуру излома

б), так называемый " хрупкий квадрат" (В < 100 %). При низкой темпе­ратуре пластическая деформация практически полностью отсутствует

В инженерной и научной практике используют количественный по­казатель вязкости разрушения - процент волокнистой(ямочной) состав­ляющей в изломе (В). Характер разрушения и его количественная оценка могут быть определены по фрактограммам, полученным при анализе по­верхности излома с помощью микроскопа. Обычно разрушение изделия считается вязким, если 5 > 70 % и хрупким, если В < 30 %.

Факторы, определяющие тип разрушения материала

1. Температура вязко-хрупкого перехода. Все три вида разрушения - хрупкий, квазихрулкий и вязкий можно получить на одной марке стали при различных температурах. Склонность к проявлению (или усилению) хрупкого разрушения при понижении температуры называется хладнолом­костью Переход от вязкого к хрупкому состоянию наблюдается в интер­вале температур, середину этого интервала и принято называть температу­рой вязко-хрупкого перехода, а температуры Т_х, и Т_х2 (рис. 5.9) - верхним и нижним порогом хладноломкости. Чем ниже температура, тем выше веро­ятность того, что металл будет разрушаться хрупко.

Рис. 5.9. Схема изменения свойств при охлаждении металлов и спла­вов в интервале температур вязко-хругаюго перехода: зона вязкого I, хвазихрупкого (смешанного) II и хоупкога Ш оаззушения

Температуру перехода от вязкого разрушения к квазихрупкому Т_х, при охлаждении достаточно четко фиксирует интенсивное падение доли вязкой составляющей в изломе В и ярко выраженное снижение величины зоны локальной деформации перед трещиной £ _пюх (см. рис. 5.3. в). Этот параметр в полной мере отражает физику процесса во всем интервале тем­ператур перехода от вязкого к хрупкому состоянию. Сущность перехода от смешанного разрушения к хрупкому Т_х2 адекватно описывает схема Иоф­фе, рассматривающая температурные зависимости напряжения отрыва с, _тр и предела текучести сг_т, которые имеют различный наклон и поэтому пере­секаются при температуре Ниже при нагружении материала в пер­вую очередь достигается а_жр, при нагружении выше Т_х: вначале достига­ется о-, поэтому разрушению будет предшествовать пластическая дефор­мация и оно становится вязким. Однако наиболее достоверно фиксирует температуру Т_х2 резкое падение при охлаждении коэффициента интенсив­ности напряжений К, _с и стабильно низкий уровень s^.

В металлах с ОЦК-решеткой (например, железо) величина с_т, резко возрастает при понижении температуры и поэтому' эти материалы склонны к хрупкому разрушению при комнатной температуре. В металлах с ГЦК- решеткой (например, никель) предел текучести слабо зависит от тем­пературы. Такие материалы не имеют склонности к хрупкому разрушению при весьма низких температурах и оказываются вязкими при - 100 и даже при - 150 °С.

В пргктихе заводских (или лабораторных) испытаний ддя выявления параметров хладноломкости чаще проводят измерения ударной вязкости (рис. 5.10) - механической характеристики материала, соответствующей отношению работы разрушения А при ударном изгибе образца к начальной площади его поперечного сечения в плоскости излома F. Ударная вязкость обозначается символом КС.

°С Рис. 5.10. Влияние содержания углерода в стали на температурную зависимость ударной зязкости KCV в интервале температур вязко- хрулюго перехода (хладноломкости)

Ударная вязкость определяется при испытании стандартных образ­цов с V-образным (КСУ) или с U-образным надрезом (KCU), а также с за­ранее выращенной трещиной (КСТ). Стандартная размерность ударной вязкости Дж/м².

2. Скорость деформации. Чем е выше, тем больше склонность к хрупкому разрушению. Зависимость между температурой перехода и ско­ростью деформации может быть представлена в виде уравнения:

3.Напряженное состояние. Может быть учтено отношением вели­чин нормальных напряжений к касательным в схеме напряженного состоя­ния. Чем выше оказывается данное соотношение, тем нагружение считает­ся более жестким и хрупкое разрушение проявляется с большей вероятно­стью.

3. Состояние поверхности материала. Неровности, надрезы и дру­гие участки поверхности с резкими переходами сечения, наличием выто­чек, отверстий, где концентрируются пиковые напряжения, являются предпочтительными для возникновения зародышевых трещин и усиливают опасность хрупкого разрушения.

4. Масштабный фактор Этот фактор проявляется в возрастании хрупкости и повышении 1„_х материала с увеличением размеров изделия, так как повышается вероятность присутствия опасных дефектов. Также следует отметить, что чем больше изделие, тем и меньшей степени удается поддерживать высокое качество поверхност и.

6. Химический состав и микроструктура. В поликристаллическом ма­териале измельчение зерна способствует повышению прочности, пластич­ности и вязкости одновременно. Границы зерен затрудняют переход тре­щины скола из одного зерна в другое, поскольку такой переход связан с изменением направления распространения трещины (плоскости скола в разных зернах имеют различную ориентировку). Чем мельче зерна, тем чаще встречается трещина с границами и тем труднее ей распространяться. Согласно Трефилову В. И., выполняется соотношение между г„_х и

средним размером зерна D - константы, являю-

щ

щиеся свойством данного материала. При развитой субструктуре в спла­вах вместо размера зерна в уравнении используется размер субзерна с ма­лоугловыми границами (меняются коэффициенты С и D), Разработаны раз­личные варианты термомеханической обработки, позволяющие уменьшать размер зерен и субзерен, что существенно повышает вязкость материалов.

В качестве резюме приведем свойства различных классов материалов при комнатной температуре (табл. 5.1).

Склонность к хрупкому разрушению в сплавах с гетерофазной струк­турой зависит от наличия хрупких составляющих на границах зерен. На­пример, выделение хрупких карбидов в виде сетки по границам зерен в сталях приводит к их резкому охрупчиванию. Аналогичный эффект вызы­вают сегрегации примесных атомов на границах зерен, субзерен и дисло­кациях. Способствовать вязкому разрушению могут такие структурные изменения, как образование в матрице многочисленных и равномерно рас­пределенных дисперсных частиц второй фазы, поскольку это приводит к уменьшению длины зародышевой трещины, выделению хрупких фаз по границам зерен, что снижает локальные напряжения, необходимые для возникновения и развития зернограничных микротрещин.