8.4. Дефекти твердих тіл. Технічна міцність металів і сплавів

У ході вивчення структури реальних кристалів стало ясно, що в їх будові є відхилення від періодичності розміщення складових частин, тобто стало ясним, що реальний кристал не має ідентичної структури (кристалічної ґратки) з кристалом ідеальним. Дослідження процесів деформації реальних твердих тіл показали наявність у них мікроскопічних не без вад – дефектів структури, які в процесі деформації тіла розвиваються, поєднуються й формують внутрішні або поверхневі макродефекти – тріщиноподібні концентратори напружень, які істотно впливають на міцність деформованого тіла. Про це в визначеній мірі свідчили досвіди Іоффе. Таким чином стало очевидним, що однієї з найважливіших причин розходження між теоретичною і технічною міцністю являє не бездоганність (дефектність) будова реальних твердих тіл.

Доцільно виділити основні категорії дефектів. Дефекти в кристалі підрозділяються на:

крапкові (нуль мірні), одне-, двох,-і тривимірні.

Крапкові дефекти діляться на енергетичні, електронні й атомні.

Енергетичні (фонони) – це перекручування регулярних ґрат кристала викликані тепловими коливаннями часток.

До електронних дефектів відносять надлишок або недолік електродів.

Атомні дефекти вакансії (дефект Шотки) утворяться при відході атомів з вузла гратки. Міжвузловий атом (дефект. Френкеля), тобто атом того ж сорту, що й атом складених ґрат, але, що перебуває між вузлами ґрат.

Одномірні – ланцюжки крапкових дефектів і дислокації.

Двовимірні – поверхня кристала, границі зерен.

Тривимірні (об'ємні) – пори, включення, тріщини, розміри яких у всіх трьох напрямках набагато перевершують міжатомні відстані.

Вплив дефектів зводиться коротко до наступного.

А) Теоретична міцність матеріла не може також бути реалізована при наявності в ньому лінійних дефектів – дислокацій і крапкових дефектів типу вакансій. Такі дефекти утворюються в процесі кристалізації матеріалів. Щільність дефектів може істотно збільшитись під час різних обробок. У процесі прикладення нагpузок у матеріалі починається рух дислокацій при напруженнях, на багато менших теоретичної міцності, який призводить до пластичної деформації матеріла. Остання супроводжується генеруванням нових дислокацій, а це призведе до виникнення двох протилежних по своїх наслідках процесам: зміцнення й наступному після нього виникненню тріщин.

Б) При наявності в тілі концентратора типу тріщини (а також надрізів, порожнеч) напруження біля її вершини можуть досягти рівня теоретичної міцності й призвести до руйнування, у той час як напруження в тілі конструкційного елементу значно (на рівень і більше) нижче . Такий висновок випливає із багатьох відомих рішень завдань теорії тріщин, у яких переважно беруться до відома тільки пружна взаємодія частин твердого тіла. Одночасно поширювання тріщин у конструкційних металевих сплавах супроводжується більшою або меншою мірою протікання пластичної деформації, що сприяють певному зниженню напружень біля концентратора. Проте наявність пластичної деформації у вершині тріщини не може істотно зменшити розрив між технічною й теоретичною міцністю. З другого боку, необхідно пам'ятати, що пластична деформація сама по собі може сприяти появі тріщин.

Виникнення тріщин може мати також вакансіонну пpиpоду. Вакансіонні механізми тріщино виникнення діють перш за все у випадках, коли вакансії мають значну рухливість. Такі умови можуть бути створені за рахунок обробки (наприклад, крихкість свіжозагартованого маpтенситу) або особливого сполучення температурного й механічного фактору (руйнування в результаті високотемпературної повзучості).

В) Об’ємно-поверхневі дефекти пов'язані з негомогенною будовою полікристалічних металів і сплавів. Сучасні металургійні процеси виплавки й наступної обробки конструкційних металів і сплавів не забезпечують гомогенність їх стpуктуpи. Переважна більшість конструкційних матеріалів становить багатофазні композиції, причому різні фази відрізняються опірністю пластичної деформації й руйнуванню. У матеріалах (сталях), виникненню тріщин може здійснюватися під навантаженням у межах окремих зерен або бути пов'язаним з наявністю твердих часток, зокрема карбідів і включень. У більшості випадків виникнення тріщин полегшується за рахунок внутрішніх напружень у матеріалі, які виникають при кристалізації або наступної теpмодеформаційної обробки. Виникненню тріщин у матеріалах може сприяти також невигідна стосовно силового поля орієнтація окремих структурних складових, обумовлена перш за все процесами обробки тиском. Анізотропія може часто бути виражена дуже різко й проявляться в виникненні волокнистого зламу при руйнуванні. Границі окремих зерен полікристалічних металів можна тільки з певним наближенням враховувати поверхневим формуванням, у дійсності вони є тонкошаровими обсягами матеріла, які по своєму хімічному й фазовому складі істотно відрізняються від граничних зерен. Як і частки твердих фаз, границі зерен можуть відігравати двояку роль – бути не тільки бар'єрами проти розповсюдження тріщин, але й місцями переважно їх виникнення. Останнє викликано виникненням граничних сегpегацій на основі деяких домішок (відпускна крихкість) або проникненням до границі активного середовища (воднева крихкість, корозійне розтріскування й т.д.). Низька між зернова міцність матеріалів призводить до виникнення ділянок міжзернового (інтеркристалітного) руйнування на відміну від внутрішніх зерен (транскристалітного).