3. Вязкое разрушение

Вязкое разрушение происходит обычно после значительной пла­стической, деформации (десятки процентов). Его главными особенно­стями являются медленное развитие трещин и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пла­стической деформации у вершины трещины. Поэтому вязкое разру­шение - наименее опасный вид разрушения. Тем не менее анализ вяз­кого разрушения очень важен, в частности при анализе поведения ме­таллов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации и где разрушение, в том числе вязкое, не­допустимо.

Вязкое разрушение в зависимости от материала, геометрии образ­ца, способа и условий нагружения развивается различными способа­ми. Поэтому соответствующая макрогеометрия поверхности разруше­ния также может сильно различаться (рис. 1.6).

/л

в

а

г

б

Рис. 1.6. Формы излома образцов при вязком разрушении после растяжения

Разрушение путем среза (см. рис. 1.6, а) часто наблюдается при растяжении монокристаллов с ГП-решеткой таких металлов, как цинк, кадмий. Поверхность излома здесь имеет вид одностороннего клина. В этом случае говорят о разрушении чистым сдвигом, и объясняется оно продолжительной пластической деформацией базисным скольже­нием в нескольких достаточно удаленных друг от друга полосах. Окончательное разрушение происходит в результате разрыва по плос­кости скольжения.

При растяжении плоских образцов из малопластичных металлов и сплавов, например высокоуглеродистой стали, также часто наблюда­ется разрушение путем среза. Оно возможно и на цилиндрических об­разцах. В отличие от чистого сдвига в этих разновидностях среза по­лучается менее гладкая поверхность разрушения.

В образцах из пластичных металлов сдвиг чаще происходит вдоль двух перпендикулярных плоскостей скольжения, где действуют мак­симальные касательные напряжения. В результате у чистых монокри­сталлов с ГЦК-решеткой (медь, серебро) образующаяся при растяже­нии шейка сужается до острия в цилиндрическом или лезвия в плос­ком образце (см. рис. 1.6, б, в).

Наиболее характерным примером вязкого разрушения является обра­зование чашечного излома в шейке образца при растяжении (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Разрушение в шейке разрывного образца при растяжении: а - трещины в шейке; 6 - макровязкий излом «чашкой»

Шейка возникает после некоторого равномерного удлинения образ­ца и является результатом локализации деформации в ограниченном объеме. Внутри шейки возникает трехосное напряженное состояние. 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 металлах. 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. На начальной стадии вязко­го разрушения типичным является наличие множества мелких трешин (пор), концентрирующихся в основном в центральной части сечения шейки. По мере растяжения перемычки между порами сильно дефор­мируются и разрушаются. В результате эти мелкие поры сливаются, образуя более крупные, и в конце концов в центре шейки появляется сплошная трещина, плоскость которой в макромасштабе располагает­ся нормально внешнему растягивающему усилию. Следовательно, об­разование этой центральной трещины - результат разрушения путем макроотрыва. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор при разрыве перемычек между ними и основной трещиной. При этом в изотропных материалах формируется излом <<чашка», имеющий в центре плоское вязкое дно и конус среза по периметру. В

21

анизотропных материалах при растяжении могут формироваться из­ломы типа «звездочка» и «расслой» (рис. 1.8) с продольными трещи­нами расслоения материала. Наличие таких трещин является призна­ком значительной анизотропии пластичности.

а б

Рис. 1.8. Изломы «звездочка» (а) и «расслой» (б) при растяжении анизотропных сталей

На всех этапах развитие вязких трещин является докритическим и сопровождается сильной пластической деформацией, которая и кон­тролирует скорость вязкого разрушения. Закритическое развитие тре­щины при вязком разрушении - явление относительно редкое, встре­чающееся только в некоторых высокопрочных материалах.

Вязкое разрушение обычно бывает внутризеренным, даже если трещина зарождается у границ зерна (рис. 1.9).

При дальнейшем росте трещины траектория ее движения проходит по телу кристаллита.

Механизм вязкого разрушения - это образование и рост микропор. ~~ Обычно при вязком разрушении микропоры зарождаются на час­тицах неметаллических включений или других фаз на границах или в теле зерна.

Для ряда высокопрочных сталей и жаропрочных сплавов, упроч­ненных частицами карбидов или карбонитридов, а также частицами упрочняющих фаз, характерны структуры с высокой плотностью час­тиц на границах зерен. В этом случае часто происходит вязкое зерно­граничное разрушение - когда вязкая трещина зарождается и развива­ется только по границам зерен.

СЭМ х 750

Рис. 1.9. Варианты вязкого ямочного разрушения стали

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.

Макро- и микроструктуру излома выявляют с помощью фракто- графического анализа - исследования структуры поверхности разру­шения в световом и просвечивающем (при помощи реплик) или ска­нирующем электронном микроскопах (СЭМ). Фрактографический анализ дает важную информацию о механизме разрушения.

На рис. 1.9 показаны типичные примеры микроструктуры вязкого излома, имеющего характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных ямок. Диаметр их колеблется в диапазоне 0,5...20 мкм. Глу­бина ямок, характеризующая размеры области интенсивной пластиче­ской деформации, на вязком изломе в зоне макроотрыва может быть довольно большой (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 скольжения,

23

образовавшиеся при пластической деформации перед разрушением. Так как образование микропор и ямок вязкого излома всегда происхо­дит на частицах в структуре сплавов, то на дне многих ямок выявля­ются частицы неметаллических включений или упрочняющих фаз.

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