2.2 Виды и типы разрушений

Пластическое (вязкое)

Происходит после существенной пластической деформации, протекающей по всему (или почти по всему) объему тела. Примером пластического разрушения может служить разрыв образца из отожженной меди после 100% сужения шейки при растяжении, происходящий в результате утраты способности материала сопротивляться пластической деформации. Пластическое разрушение сопровождается пластической деформацией, о чем свидетельствует утонение образца и неровная волокнистая поверхность излома. При пластическом разрыве кроме нормальных напряжений в разрушении участвуют и касательные, так как пластическая деформация вызывается действием только касательных напряжений. В тех случаях, когда разрушение происходит под действием только нормальных или только касательных напряжений, внешним признаком может служить вид разрушения: разная ориентация излома относительно направления главных напряжений в образце. Наглядно это проявляется при разрушении кручением пластичной и хрупкой сталей.

Хрупкое

Хрупкому разрушению подвержены конструкции из металлических материалов с ограниченной пластичностью вследствие быстрого распространения в них трещин. Возникают же трещины обычно в локальных зонах высокой концентрации напряжений. Во избежание отказов такого рода необходимо использовать достаточно пластичные металлические материалы и проектировать конструкции так, чтобы в них не было зон концентрации напряжений.

У сталей имеется так называемая температура перехода, ниже которой они теряют пластичность и становятся подвержены хрупкому разрушению. Температура перехода не одинакова для разных легированных сталей, а для стали одного состава зависит от размеров зерен. Температуру перехода необходимо учитывать при проектировании стальных конструкций, которые могут эксплуатироваться в условиях пониженной температуры. Одним из разительных примеров хрупкого разрушения, вызванного низкой температурой окружающей среды, было раскалывание надвое сварных корпусов морских судов в плавании через Северную Атлантику во время Второй мировой войны.

В клепаных корпусах трещина не выходит за пределы того листа, где она возникла; в сварных же распространяется по всей конструкции.

Хрупкое разрушение подразделяется на идеально хрупкое и квазихрупкое (как бы хрупкое).

Идеально хрупкое или хрупкое разрушение происходит без пластической деформации. После разрушения можно заново составить тело прежних размеров из осколков зазоров между ними.

Квазихрупкое разрушение предполагает наличие пластической зоны перед краем трещины (локальная зона пластической деформации) и наклепанного материала у поверхности трещины. Остальной, значительно больший по величине, объем тела находится при этом в упругом состоянии.

Хрупкие материалы для изготовления несущих элементов конструкций, работающих на растяжение, в машиностроении не пригодны.

Анализ причин аварий конструкций и машин, проводящийся периодически в разных областях техники, показывает, что разрушение деталей имеет во многих случаях хрупкий характер, в то время как эти детали были сделаны из пластичных материалов. Образцы, вырезанные из потерпевших аварию деталей после их хрупкого разрушения, при испытании на осевое растяжение в лабораторных условиях снова показывают пластический характер разрушения, которому предшествует заметная пластическая деформация.

Таким образом, практика подтверждает результаты исследований, что хрупкость и пластичность не есть неизменные свойства материалов, а являются лишь состояниями, в которых материалы могут находиться. Под влиянием различных факторов материалы могут переходить из хрупкого состояния в пластичное и наоборот. Например, высокоуглеродистые инструментальные стали, хрупкие при комнатной температуре, становятся пластичными при высоких температурах и поддаются горячей пластической обработке; то же самое можно сказать и о ковких чугунах. Инструментальные стали, хрупкие при растяжении или изгибе, ведут себя как пластичные при деформации кручением и т.д.

Причины перехода металлов из пластичного состояния в хрупкое и из хрупкого в пластичное заключается в том, что возможность начала пластической деформации и возможность хрупкого разрушения не связаны между собой, они совершаются разными механизмами и зависят от разных внешних и внутренних факторов.

Усталостное

Происходит при повторно-циклическом нагружении в результате накопления необратимых повреждений. При этом виде разрушения на поверхности тела вначале появляются микротрещины, одна из которых в результате многократного приложения нагрузки прорастает в макротрещину с последующим полным разрушением образца или детали машин. Этот вид разрушения считается наиболее опасным, так как реализуется без макроскопической деформации и высоких скоростей распространения трещины. Различают многоцикловую или малоцикловую усталость.

Многоцикловая усталость или просто усталость характеризуется номинальными напряжениями, меньшими предела текучести ; повторное нагружение происходит в упругой области вплоть до разрушения.

Малоцикловая усталость характеризуется номинальными напряжениями, большими предела текучести . При каждом цикле нагружения в теле возникает макроскопическая пластическая деформация. При таком виде нагружения число циклов до разрушения не превышает 10⁵.