Разрушение металлов и сплавов.

Выход из строя деталей или узлов приводит либо к снижению параметров работы какого-нибудь устройства, либо к его поломке или аварии.

В процессе работы какого-либо устройства могут из-за износа контактирующих поверхностей кинематических пар, появления остаточной деформации измениться к.п.д., точность, герметичность, шум и т.д.

Существует 4 типа разрушения: 1- хрупкое; 2- пластичное; 3- усталостное; 4- разрушение при ползучести.

В металлических (кристаллических) материалах любому разрушению предшествует некоторая пластическая деформация. Закономерность изменения напряжения s= F/f в детали от относительной осевой деформации e = Dl / l, возникающей при растяжении стержня, имеющего площадь сечения f, силой F , иллюстрируется диаграммой растяжения на рис. 2.37, получаемой на разрывной машине. Здесь l и D l - соответственно, длина и приращение длины стержня.

Рис.2.37

Диаграмма растяжения.

Диаграмму можно условно разделить на 4 зоны.

Первая зона называется зоной упругости. Здесь свойства материала на участке ОА подчиняются закону Гука

s= Ee ; F= DlEf₀ /l₀, (2- 26)

где f₀- начальная площадь сечения стержня.

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называют пределом пропорциональности s_п. Угол наклона прямой ОА равен a= arctg(s/ e)= arctg E.

Коэффициент Е называют модулем упругости, модулем продольной упругости или модулем Юнга материала.

Напряжение в точке К, называемое пределом упругости s_у, позволяет уточнить зону, где возникают остаточные деформации. Обычно s_п@ s_у .

Вторая зона KD называется зоной общей пластичности. Для нее характерно существенное увеличение деформации образца без заметного возрастания напряжения. В этой зоне для малоуглеродистой стали наблюдается практически горизонтальный участок- площадка текучести, напряжение при которой называют пределом текучести s_т. Для легированных сталей здесь имеется некоторый положительный наклон, т.е. нет ярко выраженной отмеченной площадки. В таких материалах за предел текучести принимается условная величина напряжения, при котором остаточная деформация составляет e_р= 0,02...0,2 % (до 0,5%), и этот предел обозначается буквами s_0,2.

Третья зона DG - зона упрочнения. Здесь удлинение возрастает, но увеличивается и напряжение. При этом происходит образование шейки, т.е. уменьшение площади сечения образца. В точке G напряжение в стержне становится максимальным. Напряжение при этом называется пределом прочности s_в .

Если стержень, где напряжение меньше предела пропорцио-нальности, т.е. s < s_п, разгрузить до нуля, то длина восстановится, а s = 0.

Если же в стержне создать напряжение s_i, равное или выше предела текучести, то его длина увеличится, а после разгрузки сократится на некоторую величину. Часто считают, что при этом напряжение будет равным нулю, а остаточная деформация - e_р (см. рис. 2.32) Однако на практике после холодной деформации в теле детали, изготовленной например из стали, возникают остаточные напряжения s_о. Поэтому сокращение детали после разгрузки будет De= Е(s_i- s_o).

В случае скручивания, изгиба имеет место такая же закономерность. При этом для некоторых форм стальных деталей известна величина остаточных напряжений[7]: так при изгибе цилиндрического прутка s_o= 0,7s_т; при изгибе прямоугольного стержня - s_o= 0,5s_т .

Если теперь деталь, ранее нагруженную свыше предела текучести, например, до точки Г, опять нагрузить, то до значений напряжений, соответствующих точке Г, пластических деформаций не будет. Материал приобретает способность передавать без пластических деформаций более высокие усилия. Это явление, повышение прочностных свойств в результате предварительного пластического деформирования называется нагартовкой или наклепом, который может быть снят термообработкой- отжигом.

Четвертую зону GS называют зоной местной текучести. Здесь удлинение образца происходит с образованием шейки и снижением общего напряжения в стержне, хотя напряжение в шейке возрастает. Затем происходит разрыв.

Стандартные испытания на сжатие обычно не проводят. Для большинства материалов при обычных расчетах модуль упругости, пределы упругости и текучести при сжатии и растяжении считаются одинаковыми.

В качестве показателей пластичности материала используют относительное остаточное удлинение образца после разрыва

d= (l_p- l₀)/ l₀

и относительное остаточное уменьшение площади поперечного сечения в шейке после разрыва

y= (f₀- f_p)/ f₀.

Как правило, хрупкое разрушение является внутрикристаллическим и распространяется вдоль простой кристаллографической плоскости (плоскости скола) внутри отдельных зерен поликристалла. Однако при определенных условиях, например, низких температурах, хрупкое разрушение может происходить и по границам зерен из-за относительного изменения состояния приграничных объемов. Процесс разрушения состоит из 2-х стадий зарождение трещины и ее распространение через всю деталь.

В металлах с кристаллографической решеткой типа г.ц.к. образование трещин скола, как правило, не наблюдается.

При межзеренном разрушении трещина в однофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а при наличии на границах второй фазы- вдоль межфазной поверхности или вдоль поверхности скола внутри включений.

1-я стадия связана с пластической деформацией. Есть разные модели этого процесса.

Так, по модели Стро-Мотта перед различными препятствиями в пластически деформируемом металле скапливаются скользящие дислокации. Из-за этого возникает локальная концентрация напряжений, достаточная для образования зародышей трещины. В качестве препятствий здесь могут быть: перемещения дислокаций в пересекающихся плоскостях, границы зерен, инородные включения и т.п. Напряжение у вершины скопления может на 3 порядка превышать приложенное напряжение.

2-я стадия- распространение трещины и обрыв. При пластическом разрушении перед этим имеет место значительная пластическая деформация. Для распространения не требуется особых критических условий. Как только длина трещины достигнет некоторого критического значения, то трещина становится нестабильной и начинает распространяться. Предельная скорость распространения упругой трещины составляет примерно 0,38с_о, где с_о - скорость распространения упругих волн в данном веществе. Следовательно, хрупкое разрушение развивается с большой скоростью. При этом в ряде случаев образуется почти идеальная плоскость, но часто на поверхности появляются неровности, имеющие различные причины.

Хрупкое разрушения обычно называют катастрофическим, и оно представляет для конструкций наибольшую опасность. Большинство металлических материалов могут ломаться и пластично и хрупко. Влияет на это температура, скорость нарастания напряжения, наличие надрезов и др.

Металлы и сплавы идеально хрупко (без предшествующей пластической деформации) не разрушаются.

Пластичное (вязкое) разрушение развивается с меньшей скоростью, а напряжение, необходимое для его развития, превышает значение напряжения текучести, используемого при расчете на прочность. Особенностью этого разрушения является наличие большой пластической деформации, необходимой для распространения вязкой трещины. Поэтому процесс пластического разрушения может быть остановлен на любой стадии. Его обычно изучают при испытаниях деталей на разрыв.

При вязком разрушении имеет место высокая энергоемкость , обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины трещины. Такое разрушение в зависимости от материала, геометрии образца, способа и условий нагружения развивается различными способами:

Рис. 2.38

Формы разрушения.

а) путем среза (поверхность излома имеет вид одностороннего клина); б) образованием сужающейся до

а) б) в) острия или лезвия шейки в) в виде

разрушения волокон в теле образца (при разрыве латуни, в структуре которой имеются грубые частицы избыточных фаз); образованием чашечного излома.

На рис.2.38 показаны формы разрушения.

Хрупкое разрушение обычно происходит внезапно. Так, в 1881г. при первом же рейсе взорвались котлы царской яхты “Ливадия”.

Хрупкое разрушение может произойти под действием статической или ударной нагрузки или вследствие усталости при действии переменного напряжения той или иной амплитуды. В первом случае при достижении некоторого напряжения, превышающего допустимое, происходит разрушение либо в кристалле, либо между кристаллами материала. Во втором случае в кристаллах вещества из-за работы, затрачиваемой на деформацию, происходит накопление энергии, и в случае превышения ее некоторого значения, - разрушение.

Существует много исследований процессов разрушений, критериев и причин разрушения .

Первой причиной разрушения можно назвать превышение допустимой статической или кратковременной динамической нагрузки.

Рассмотрим и другие причины разрушения металлов.

Наличие дефектных крупнокристаллических структур в металле.

Так, применительно к взрыву котлов яхты “Ливадия” (см. выше) установлено, что, несмотря на нормальную прочность (s_в = 420 МПа и хорошую пластичность (относительное удлинение d= 25%)), листы стали имели порочную структуру, т.е. неоднородное зерно с признаками распада зерен перлита и выделением по границам зерен свободного цементита. Этот дефект в малоуглеродистых сталях был обусловлен неправильной прокаткой и термообработкой.

Пластическая деформация (наклеп) с последующей выдержкой при нормальной или повышенной температуре, но меньше 350°С и оказывающейся ниже температуры рекристаллизации, вызывают явление механического старения малоуглеродистых сталей. Здесь происходит распад твердого раствора. Старение развивается при Т= 20°С в течении 15- 16 суток, а при Т= 200…250°С – в течении нескольких минут.

Имеет место также термическое старение, когда разрушение происходит из-за изменения растворимости С и N в Fe_a в зависимости от температуры.

В случае ускоренного охлаждения с Т= 650-700°С (например, при сварке) в низкоуглеродистых сталях задерживается выделение Ц_III и образуется пересыщенный феррит. Последующая выдержка стали при Т=20°С (естественное старение) или при повышенной Т= 50- 150°С (искусственное старение) приводит к распаду твердого раствора с выделением дисперсных частиц.

Отмеченные особенности для получения качественной углеродистой стали привели к необходимости выполнения норм качества не по отдельным показателям, а по нормированию химического состава и технологического процесса производства стали в целом (сталь 20, сталь 30…).

Форма детали.

Острые кромки из-за неправильной обработки, повреждения, усталостные или коррозионные трещины, трещины при сварке, непровары, закалочные трещины приводят к снижению допустимой нагрузки. Развитие трещин в этих случаях может происходить без воздействия среды, ударной нагрузки, а из-за перераспределения потенциальной энергии и процессов, идущих по границам зерен. Причем рост трещин, особенно в высокопрочной стали может идти медленно.

Причиной трещин могут быть также малопластичные наплавки, места графитизации, наклепанные участки.

Полировка поверхности, особенно электролитическая, приводит к существенному повышению предела выносливости.

Чувствительность материала к надрезам при динамических нагрузках оценивают специальным коэффициентом

q= (К_s-1).(a _s-1), ( 2-27)

где К_s= s_-1/ s_-1н- эффективный коэффициент концентрации напряжений; s_-1н - предел выносливости образца с концентратором (надрезом); a _s - теоретический коэффициент концентрации напряжений, являющийся коэффициентом пропорциональности между напряжением в вершине надреза s₁ и номинальным напряжением s_ном вдали от концентратора; s₁ = a _s s_ном.

Величина q может меняться от нуля до единицы. Чувствительность материала к надрезу определяется в первую очередь его пластичностью. Чем она выше, тем больше работа пластической деформации даже при наличии концентратора напряжений, меньше скорость распространения трещины и больше предел выносливости. Однако нечувствительными к поверхностному надрезу могут оказаться и хрупкие материалы, содержащие большое число внутренних концентраторов напряжений (например, серый чугун). Поэтому низкое значение коэффициента q следует считать ценным свойством материала только в том случае, если оно сочетается с высоким пределом выносливости.

Окружающая среда.

Окружающая среда оказывает сильное влияние на сопротивление хрупкому разрушению. Особенно это относится к поверхностно- активным средам (ПАС), содержащим вещества, способные сильно адсорбироваться на поверхности исследуемого тела. При смачивании ПАС поверхностная энергия наружных слоев образца снижается. Из-за этого снижается и сопротивление отрыву этих слоев. В результате мельчайшие трещины, всегда имеющиеся на поверхности образца, распространяются вглубь металла при нагрузке, ниже, чем в случае испытания в вакууме. Образующиеся при развитии трещины новые свободные поверхности далее смачиваются ПАС, проникающим в самые узкие места трещины и расклинивающим ее. Этот эффект называется эффектом Ребиндера.

Установлено, что на воздухе усталостные трещины развиваются быстрее, чем в вакууме. Вероятно, кислород адсорбируется на стенках трещины и уменьшает их поверхностную энергию. Поэтому любые способы изоляции поверхности от воздушной атмосферы увеличивают предел выносливости (см. ниже).

Если материал во время циклического нагружения находится в жидкой коррозионной среде, то его сопротивление усталости может резко снизиться. Это явление особенно важно для материалов, работающих в контакте с водой, особенно морской.

Наводораживание поверхности.

Хрупкое разрушение может произойти из-за наводораживания поверхностей. Это установлено для труб теплоэнергетических установок в условиях, когда нет дренажа на участке трубы, в нейтральных и растянутых зонах гибов труб. Обезводороживание восстанавливает прежние свойства.

Время.

В инженерной практике неоднократны случаи внезапного разрушения высокоуглеродистых закаленных сталей, не имеющих внешней нагрузки. Это происходит из-за внутренних напряжений после закалки. Такое разрушение может наступить даже через несколько недель (предел длительной прочности) после изготовления.

Чем выше температура и напряжение, тем скорее развивается всегда имеющаяся трещина. При этом обычно она развивается по границам зерен. По мере действия и структурных изменений трещина развивается быстрей. Вместе с этим происходит и изменение сопротивления пластической деформации, которое может и увеличиваться и уменьшаться. Существует тенденция смещения усталостных кривых в зону более низких напряжений при повышении температуры [33].

С другой стороны заметное снижение температуры увеличивает склонность металлов к хрупкому разрушению. Поэтому на температурной зависимости показателя пластичности технических металлов и сплавов выделяется интервал температур перехода от хрупкого разрушения (близкие к нулю показатели пластичности) к вязкому разрушению (значительные по величине показатели пластичности). Вместо интервала температур часто используют какую-то одну температуру хрупко-вязкого перехода Т_хр- верхнюю или нижнюю границы интервала DТ_хр, либо температуру, соответствующую середине этого интервала. Величина Т_хр широко используется, как характеристика склонности того или иного материала к хрупкому разрушению: чем выше Т_хр , тем больше эта склонность [3]. Однако эта температура не является константой материала. Она сильно зависит от его структуры, условий испытаний. Для объяснения возможности перехода из хрупкого состояния в пластичное часто привлекают классическую схему А.Ф. Иоффе. [3].

Если температура меняется при постоянном напряжении, то имеет место термическая усталость. Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называется термостойкостью.Разрушение здесь происходит как при циклическом нагружении (под действием термических напряжений), так и при ползучести, идущей особенно активно вблизи максимальной температуры цикла. Принципиальным отличием термической усталости от механической является то, что при термоциклировании уровень возникающих напряжений определяется упруго-пластическими свойствами материала. Практическая важность термостойкости приводит к необходимости проведения специальных исследований, например термоциклических испытаний моделей теплообменных аппаратов с оригинальным способом крепления труб. Влияние различных факторов на термостойкость противоречиво, и поэтому проблема ее повышения очень сложна. Термостойкость должны повышать все факторы, уменьшающие величину деформации при термоциклировании, в первую очередь снижение коэффициента термического расширения и увеличение теплопроводности. Однако положительное влияние этих теплофизических факторов проявляется только в том случае, если параллельно не будут снижаться механические свойства, особенно характеристики жаропрочности. (Например, легирование повышает прочность и жаропрочность, но снижает теплопроводность). Росту термостойкости должно способствовать повышение локальной пластичности материала, необходимое для быстрой и полной релаксации напряжений у концентраторов; уменьшение количества и остроты всякого рода концентраторов напряжений.

Размер деталей.

Чем меньше образец, тем, как показывает статистка, он оказывается более прочным. Часто такую особенность объясняют, тем, что в большой детали больше вероятность образования опасных дефектов.

Скорость изменения нагрузки.

При эксплуатации различные детали и конструкции подвергаются ударным нагрузкам (переезд автомобиля через выбоину на дороге). Скорости деформирования и деформации в этих случаях на несколько порядков больше, чем при медленно изменяющихся нагрузках, которые часто называют статическими.

В условиях динамической деформации изменяется поведение дефектов кристаллической решетки, в первую очередь дислокаций. Изменение концентрации дефектов C_i при этом подчиняется уравнению

C_i= C_i0 exp(-t /t _p ), (2- 28)

где C_i0 - исходная концентрация дефектов; t - длительность процесса; t _p - время релаксации дефектов.

Время t_p может, например, характеризовать время действия дислокационного источника, время взаимодействия между дефектами и т.д. При деформации идут только те процессы, для которых t _p <t . Резкое уменьшение t при динамической деформации должно вызвать изменение различных элементарных процессов, определяющих картину пластической деформации и соответственно свойств. В этих условиях происходит существенное увеличение скоростей скольжения дислокаций, что приводит к увеличению сил трения в металле и повышению критического напряжения сдвига, а также дополнительному упрочнению металла.

Из сравнения кривых деформационного упрочнения для одного поликристаллического металла при статическом и динамическом нагружениях следует, что обычно с увеличением скорости фиксируется повышение уровня напряжений и на начальных стадиях- степени деформационного упрочнения.

Пластичность неоднозначно зависит от скорости деформации. В большинстве случаев при ударных испытаниях образцов с надрезом характеристики пластичности оказываются ниже, чем при аналогичных статических испытаниях. В определенных условиях при высокоскоростной деформации некоторые металлы могут проявлять повышенную пластичность. Так, например, получается при штамповке взрывом (динамическое сжатие) металлов с гексагональной решеткой. Характер изменения пластичности и вязкости (работы деформации) зависит от типа разрушения- среза или отрыва. Если при заданных схеме нагружения и температуре материал разрушается путем отрыва, то сопротивление разрушению мало меняется при переходе от статической к динамической деформации. В этом случае пластичность с увеличением скорости уменьшается. Если же разрушение происходит путем среза, то сопротивление разрушению существенно возрастает с ускорением деформации, а пластичность может не меняться или тоже повышается.

Частота колебаний нагрузки.

Большинство машин и механизмов работают при переменных нагрузках. Закон изменения нагрузки можно аппроксимировать какой-либо синусоидой или другой гармонической функцией. Опыт эксплуатации и испытаний машин и механизмов свидетельствует, что их детали могут разрушиться при напряжениях, меньших по сравнению с действием статических или медленно меняющихся нагрузок. Имеет место усталость металла. Получены экспериментальные кривые усталости. Пример показан на рис 2.39.

Рис. 2. 39

Кривая усталости.

Если в процессе работы число периодических (гармонических) колебаний (циклов) N превышает число циклов, соответствующее точке А на рис.2.40, а амплитуда колебаний напряжений s_а не превышает напряжения, соответствующего точке А, т.е. s_а £ s_А, то деталь в принципе может работать бесконечно долго. Если же s_а ³ s_А, то число допускаемых циклов колебаний определяется углом b ломаной на рис.2.40 . Здесь ½tgb½= 1/m и обычно m = 4...10. Значение s_А называют пределом выносливости при данном числе циклов.

Усталостная долговечность в первую очередь определяется максимальным напряжением цикла и его амплитудой s_а, t_а. Чем они больше, тем быстрее происходит усталостное разрушение.

Рис. 2.40. Диаграмма Диаграмма

предельных амплитуд

Выносливость зависит также

от среднего напряжения

цикла s_m, t_m, которое

определяет постоянную составляющую циклического напряжения. Связь s_а и s_m устанавливает диаграмма предельных амплитуд для заданной базы испытаний (рис. 2.40).

Амплитуда цикла, откладываемая по оси ординат, соответствует пределу выносливости при определенном среднем напряжении. Точка А отвечает пределу выносливости s_-1 при заданной базе, точка Е- разрушающее напряжение при s_а= 0, т.е. в первом приближении предел прочности при статическом нагружении. Все другие точки, лежащие на кривой АСDE, характеризуют возможные предельные сочетания напряжений. Точки, расположенные ниже линии ACDE, отвечают безопасным циклам напряжений, пол действием которых разрушение не наступит через заданное при построении диаграммы число циклов. Точки, лежащие над кривой ACDE, характеризуют циклы с таким же сочетанием напряжений, при котором разрушение произойдет прежде, чем будет достигнута заданная база испытаний.

Отношение s_а /s_m связано с коэффициентом асимметрии цикла R_s= = s_mim / s_max соотношением

s_а /s_m = (1- R_s )/(1+ R_s)

Если R_s= -1 , то такой цикл называют симметричным. (Здесь под s_mim понимается наименьшее по алгебраической величине напряжение, т.е. напряжение со знаком «минус», а под s_max - наибольшее, т.е. напряжение со знаком «плюс»). Такие циклы чаще всего используют для испытаний образцов. Они имеют следующее обозначение: s_-1; t_-1. Для стали база испытаний не меньше N³ 10⁷ циклов.

Направление луча из начала координат диаграммы (рис. 2.40) в точку на линии ACDE характеризует асимметрию соответствующего цикла. Например, для точки С отношение s_а /s_m= tgb. При заданном среднем напряжении увеличение коэффициента асимметрии цикла повышает выносливость.

Участки DE на рис.2.40 даны пунктиром, т.к. в области высоких напряжений образцы при циклическом нагружении сильно разогреваются и разрушение происходит после первых же циклов [3]. Безопасные режимы соответствуют точкам на участке АD.

На характеристики выносливости существенно влияет соотношение растягивающих и сжимающих напряжений. Чем больше растягивающие напряжения, тем ниже выносливость. Увеличение средних сжимающих напряжений при неизменном растягивающем смещает кривую усталости в сторону больших напряжений. Это объясняется влиянием сжимающего напряжения на раскрытие трещины.

Форма кривой изменения напряжения от времени мало сказывается на выносливости. Поэтому циклы сложной формы, обычно имеющие место в практике, сводят к простым.

Ряд авторов пишут, что повышение частоты циклов при прочих равных условиях обычно вызывает некоторое увеличение характеристик сопротивления усталости, особенно при повышенных температурах. Однако количественных показателей не имеется.

Предел выносливости при испытании образцов из многих материалов скоррелирован с их твердостью или пределом прочности на растяжение:

углеродистая сталь s_-1= 0,128…0,156 НВ;

легированная сталь s_-1= 0,168…0,222 НВ;

алюминиевые сплавы s_-1» 0,19 НВ.

Для многих сталей справедливо соотношение s_-1/s_в» 0,5; для медных сплавов - s_-1/s_в» 0,3...0,5.

Выше показаны некоторые условия, являющиеся причиной разрушения при переменных нагрузках. Однако, пожалуй, основной причиной усталостного разрушения является превышение поступающей в единицу объема мощности над удаляемой. В этом случае в соответствии с критерием Одинга происходит накапливание в металле тепла, и когда его количество превысит величину q= rcT_s (r- плотность, c - удельная теплоемкость, T_s -абсолютная температура плавления), достаточную для разрушения кристаллической решетки, то начинается разрушение. Протекание этого процесса описано в ниже приведенном материале. Условия же накопления такого тепла достаточно изложены в работе [4]. При этом необходимо знать частотную характеристику конкретного звена или детали, а также закон изменения нагрузки.

Предел усталости материалов и деталей при переменной нагрузке зависит от конструкции, условий работы, особенно охлаждения, вида материала и т. д.