1. Разрушение. Виды и признаки разрушений

В качественном отношении разрушение можно определить как разделение тела на части под действием напряжений. В количественном отношении – как катастрофическая потеря прочности. С точки зрения физики и механики твердого тела наиболее плодотворным является подход к разрушению как к процессу, который развивается во времени, проходит последовательно подготовительную, критическую и закритическую стадии и связан с образованием и распространением трещины.

Таким образом, под механическим разрушением понимается процесс разделения тела на части, сопровождающийся зарождением, распространением и развитием трещины под действием напряжений. При таком ограничении вскрывается важная сторона процессов разрушения – их локальный характер. Сопротивление разрушению на стадиях распространения и разрастания трещины до магистральной определяется не свойствами всего материала, а свойствами небольших объемов, расположенных на пути следования трещины.

Поскольку существует три вида напряжений: растягивающие – положительные нормальные, сжимающие – отрицательные нормальные, касательные (положительные), то следует ожидать и разный характер разрушения. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызвать разрушения. Оно происходит под действием растягивающих и касательных – отрыв и срез. Разрушение отрывом называется хрупким, срезом – вязким. На практике, как правило, разрушение носит смешанный характер. Чисто вязкое разрушения, происходящее при пластической деформации в результате соскальзывания одной части кристалла по другой или постепенного уменьшения сечения до нуля в физике прочности и пластичности не рассматривается.

Классификационные признаки хрупкого и вязкого разрушения

Для конкретизации понятия хрупкого и вязкого разрушения известным механиком Я.Б. Фридманом предложена классификация, включающая следующие признаки:

- характер силового воздействия (постоянная нагрузка, монотонно возрастающая, знакопеременная);

- ориентировка макроскопической поверхности разрушения – под прямым углом к действующей силе или под углом 45°;

- величина пластической деформации, предшествующая разрушению;

- структурное расположение поверхности разрушения – внутрикристаллитное, меж-кристаллитное, смешанное;

- степень развития разрушения – начальное (трещина меньше площади сечения тела), развитое, полное.

В дополнение к этим классификационным признакам В.М. Финкелем сделан акцент на энергетический аспект хрупкого разрушения, которое

- характеризуется малой энергоемкостью

- развивается автокаталитически при достижении определенного напряжения

- не требует дополнительного подвода энергии извне

. В настоящее время общепринятым является предложенное им определение: разрушение называется хрупким, если для его развития и завершения достаточно упругой энергии разрушаемой конструкции, т.е. энергоснабжение процесса обеспечивается за счет упругой разгрузки самого тела. Величина напряжения ниже макроскопического предела упругости, как правило, намного меньше расчетных. При этом суммарное удлинение не превышает 1-2 %, поверхность разрушения (излома) перпендикулярна действующей силе, трещина распространяется по границам зерен, излом блестящий. Рост хрупкой трещины на определенной стадии становится неуправляемым, ее распространение невозможно остановить, разрушение носит катастрофический характер.

Вязкое разрушение с этой точки зрения отличается от хрупкого тем, что для роста "вязкой" трещины требуется подвод энергии извне, т.е. необходимо непрерывное повышение действующего напряжения. При этом за счет уменьшения сечения тело теряет устойчивость, его несущая способность падает, и нагрузка снижается, но медленнее, чем площадь неповрежденного сечения. На этой стадии вязкое разрушение также может перейти в нестабильный, неуправляемый процесс, особенно при большом запасе упругой энергии системы. Однако ему предшествует значительная макропластическая деформация, так как оно развивается при напряжениях, превышающих предел текучести, и суммарная энергоемкость процесса велика. Скорость распространения "вязкой" трещины незначительна и сопоставима со скоростью деформации, а сам процесс роста невозможен без пластической деформации, которая достигает значительной величины. В результате вязкого разрушения образуется "косой" излом – его поверхность в макромасштабе наклонена под углом 45° к направлению действия максимального растягивающего напряжения, что указывает на решающую роль в этом виде разрушения касательных напряжений. Трещина распространяется по телу зерна, излом матовый.

Несмотря на классификационное разделение хрупкого и вязкого разрушений. необходимо помнить, что большинство металлов и сплавов (за исключением г.ц.к. металлов) могут разрушаться и тем и другим способом в зависимости от их структурного состояния и комбинации внешних условий, среди которых наиболее важными являются температура и скорость нагружения, схема напряженного состояния, свойства нагружающей системы и окружающей среды. В то же время с физической точки зрения потеря прочности материалом связывается с хрупким разрушением. Поэтому физической стороне хрупкого разрушения уделяется особое внимание как в теоретическом, так и прикладном аспектах.

2) Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве деформированного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации; применяется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. У большинства алюминиевых сплавов при степени деформации 50 - 75 % температура начала рекристаллизации находится в пределах 290 - 400 С. После рекристаллизационного отжига сплавов, неупрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения выбирают произвольно. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют при холодной деформации или между горячей и холодной деформациями.

Есть два пути получения в сплавах ультрамелкозернистой микроструктуры, необходимой для перевода в сверхпластичное состояние: разработка и использование сплавов, в которых необходимая структура легко достигается путем регулирования их химического и фазового состава, и изыскание предварительной обработки, обеспечивающей получение мелкого зерна в сплавах практически любого состава. Между этими подходами нет противоречия, скорее, они дополняют друг друга. Однако второй путь более реален, поскольку подбор материалов для конкретных изделий производится, как правило, с учетом требований к эксплуатационным характеристикам материала, а не их технологичности, хотя последний фактор также учитывается. Отсюда ясно, что надо разрабатывать легко реализуемые в промышленности способы получения полуфабрикатов из обычных сплавов, способных к сверхпластическому течению.\

Билет 9.1 17 вопрос

1. Ранее считалось, что соединение покрытия с основным металлом при большинстве способов напыления происходит за счет механических связей [61], что предварительная подготовка поверхности, в частности пескоструйная обработка, приводящая к повышению шероховатости, способствует усилению механических связей за счет заклинивания деформированных напыленных частиц в рельефе основного металла. В настоящее время полагают, что наряду с установленными при напылении химическими связами и силами Ван-дер-Ваальса. Последние, однако, играют весьма малую роль в повышении прочности соединения. Что касается химического взаимодействия, то его значение может быть определяющим. При детонационном напылении высокую прочность соединения покрытия А1203 с ниобием авторы [15] объясняют химическим взаимодействием частиц напыляемого материала и основного металла. Высокая прочность соединения наблюдается при нанесении тугоплавких покрытий на металлы с более низкой температурой плавления. При этом происходит перемешивание двух различных по химическому составу и свой-. ствам материалов, и достигается высокая прочность соединения покрытия с основным металлом. Предварительная пескоструйная обработка необходима не только для создания на поверхности металла нужного рельефа, но и для увеличения контактной площади и дополнительной активации поверхности [15]. Выявление причин, определяющих уровень прочности соединения, будет, вероятно, основываться на систематических и глубоких исследованиях границы «покрытие — основной металл» с, привлечением современных методов изучения структуры.[2, С.56]  В повышении прочности конструкционных сталей важная роль принадлежит легированию. Упрочнение стали идет по пути оптимизаций химического состава, гетерогенизации структуры, применения дисперсионйотвердеющих и мартенситностареющих структур.[9, С.3]  Наибольший эффект в повышении прочности малых штуцерных образцов достигнут применением поверхностного наклепа пневматическим молотком или чеканкой подпружиненным бойком мест перехода от шва к основному металлу. По сравнению с исходным состоянием поверхностный наклеп швов пневматическим молотком соединений с консольными трубами привел к повышению прочности в 1,8 раза.[11, С.139]  Требования снижения металлоемкости конструкций при одновременном повышении прочности и надежности обусловливают разработку новых конструкционных материалов, среди которых необходимо выделить композиционные материалы с металлической матрицей. Учитывая широкое использование данного класса материалов при создании конструкций транспортного и химического машиностроения, ракетно-авиационной и космической техники, исследование процессов их разрушения представляет собой важную задачу механики конструкционного материаловедения. В ряду композитов с металлической матрицей особое место занимает бороалюминий — материал на основе алюминия, упрочненного волокнами бора. Боро-алюминиевый волокнистый композиционный материал (ВКМ) обладает высокими удельными показателями прочности и жесткости, высокой стабильностью механических характеристик при повышенных температурах. Благодаря уникальным свойствам данного материала, его используют в несущих конструкциях космических аппаратов и авиационной техники [1, 2].[12, С.224]  Таким образом, эффект термической обработки (термоулучшения) заключается не в повышении прочности (поскольку по сравнению с нормализацией прочностные и другие свойства почти одинаковые), а в повышении сопротивления разрушению. При этом порог хладноломкости понижается, работа распространения трещины повышается.[17, С.22]  Целесообразность применения композиционных материалов заключается в снижении массы, повышении прочности деталей, увеличении грузоподъемности и проходимости машин, уменьшении расхода резины и горючего и тем самым увеличении срока эксп-[6, С.239]  Рассмотрение методов упрочнения конструкционных материалов будет неполным, если не оста-новиться, хотя бы весьма кратко, на повышении прочности сталей методом патентиро-вания. Этот метод получил широкое применение в практике производства стальной проволоки. Высокая прочность в данном случае достигается холодной пластической деформацией, чередующейся с патентированием [142].[1, С.92]  ВТМО, которая способствует существенному повышению хрупкой прочности сталей. В табл. 15.2 приведены данные, свидетельствующие о повышении прочности и вязкости разрушения после ВТМО сталей 40С2Х и 60С2Х. Из результатов, полученных К. Мазанцем для сталей типа ХГСНМ, следует, что имеется возможность повышения Kic путем ВТМО в области высокопрочных состояний при ао 2 = = 17004-2200 МПа (рис. 15.18).[14, С.243]  Таким образом, роль фазового наклепа при комплексном упрочнении сплавов Fe-Ni-Ti фазовым наклепом и старением заключается не только в повышении прочности аустенита, но и в создании субструктуры, обеспечивающей наиболее благоприятное распределение упрочняющей фазы при последующем старении и сохранение высокой пластичности.[19, С.191]  Включение блока перерезания волокон трещинами, развивающимися в матрице (см. разд. 8), приводит к резкому падению прочности композита при повышении прочности связи. Это обстоятельство позволяет ставить вопрос об оптимальной прочности связи компонентов, превышение которой приводит к снижению прочности материала. Но необходимо заметить, что один параметр — средняя сдвиговая прочность связи -[20, С.195]  Роль легированного феррита в упрочнении стали возрастает, если сталь имеет неравновесную структуру (после закалки и отпуска) и содержит малое количество углерода. При повышении содержания в стали углерода роль легированного феррита в повышении прочности становится меньше и важное значение приобретают степень дисперсности, количество, форма и распределение фаз.[8, С.16] 

2) Как известно, вид диаграммы состояния зависит от того, какие фазы образуют оба компонента. Свойства сплава также зависят от того, какиесоединения или какие фазы образовали компоненты сплава.

Поэтому очевидно, что между видом диаграммы состояния и свойствамисплава должна существовать определенная связь. На рис. приведены четыре основных типа диаграмм состояний и соответствующие им закономерности изменения свойств сплава с изменением концентрации :

1. При образовании смесей (рис. а) Свойства сплава изме няются по линейному закону (аддитивно). Следовательно, значени свойств сплаванаходятся в интервале между свойствами чистых ком понентов.

2. При образовании твердых растворов (рис. б)свойств сплава изменяются по криволинейной зависимости, причем некото рые свойства, в первую очередь электросопротивление, могут значи тельно отличаться от свойствкомпонентов. Следовательно, при образовании механической смесиэлектросопротивление повышается незначительно, при образовании твердого раствора — весьма сильно. Поэтому распад твердого раствора на две (или более) фазы приводит к повышению электропроводности (закон Курнакова).

3. При образовании ограниченных твердых растворов (рис. в ) свойства винтервале концентраций, отвечающем однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному, а в двухфазной области диаграммы — по прямолинейному закону, причем крайние точки на прямой являютсясвойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

4. При образовании химического соединения на диаграмме концентрация —Свойства (рис. г) концентрация химического соединения отвечает максимуму (или минимуму) на кривой (в данном случае перелом прямой). Эта точкаперелома, соответствующая химическому соединению, называетсясингулярной (особой) точкой. По диаграмме состав —свойства находим стехиометрическое соотношение компонентов данного химическогосоединения определяя, какой концентрации отвечает сингулярная точка.

Точное изучение свойств в зависимости от изменения концентраций (т. е. построение диаграммы состав—свойства) является важным дополнением при изучении и построении диаграмм состояний.

Метод изучения изменений свойств в зависимости от изменения состава и построения диаграммы состав — Свойства был положен Н. С. Курнаковым в основу разработанного им физико-химического анализа сплавов. В настоящее время физико-химический анализ является одним из основныхметодов изучения сплавов и его широко применяют в научных исследованиях новых сплавов при изучении структурных превращений и в других случаях.

Билет 9.2 18 вопрос

Разрушение с позиций мгновенного (по Гриффитсу) и последовательного разрыва межатомных связей. Хрупкое разрушение – катастрофическая потеря прочности

С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее, чем вязкое, так как это наиболее опасный вид катастрофического разрушения. В отличие от вязкого хрупкое разрушение как и упругая деформация, достаточно хорошо описываются математическими моделями, на основании которых с определенной степенью приближения выводятся основные закономерности взаимосвязи процессов нагружения и деформирования. Впервые физические основы теории хрупкого разрушения разработаны Гриффитсом.

При рассмотрении хрупкого разрушения Гриффитсом были сделаны следующие допущения:

1 Разрушение происходит на стадии упругой деформации при разрушающем напряжении, меньше предела упругости.

2 Объектом разрушения является пластина единичной толщины, жестко закрепленная с обеих сторон и имеющая зародышевую трещину (рисунок 6.1).

3 Трещина имеет форму эллипса с полуосями, равными с и 2с (рисунок 6.1а). Объем трещины равен объему цилиндра, т.е.V=2π c².

4с 2с

а – свободное нагружение; б – нагружение в фиксированных зажимах Рисунок – 6.1 Различные схемы нагружения

Рассмотрим последовательность процессов, предшествующих разрушению:

1 При упругой деформации ε, запасенная упругая энергия в единице объема пластины без трещины равна работе, затраченной на эту деформацию, при условии, что напряжение на участке. описываемом законом Гука, изменятся от нуля до значения σ_макс.. В таком случае среднее действующее напряжение σ будет равно ½ σ_макс, а работа. равная произведению силы на пройденный путь

А= ½ σ ε =½ σ²/Е, (6.1)

где ε = σ/Е.

2 Предполагается, что при внезапном (очень высокой скорости) возникновении в теле трещины длиной 2с под прямым углом к направлению действующего напряжения σ высвобождается часть запасенной упругой энергии в зоне эллипсоидальной трещины, пропорциональная объему трещины V=2π c². Упругая энергия пластины при этом уменьшится на величину W

W = ½ σ²/Е 2π c² = π σ² c²/ Е, (6.2)

3 При возникновении трещины образуются две новые поверхности с удельной поверхностной энергией γ_s, что приведет к увеличению внутренней энергии пластины на величину U, пропорциональную площади поверхности трещины равную 2с, так как толщина пластины принята за единицу:

U = 4 γ_s с. (6.3)

Площадь трещины определяется произведением длины трещины 2с на толщину, равную по условию задачи единице.

4 Энергетический баланс при возникновении трещины равен разнице между энергией, затраченной на образование трещины W и энергией, способствующей увеличению внутренней поверхностной энергии U. Затраченная энергия считается отрицательной, а приобретенная – положительной.

ΔU = U – W = 4 γ_s с - π σ²/Е c². (6.4)

5 В зависимости от соотношения между U, W и ΔU баланс может быть положительным и отрицательным.

5.1 Если ΔU будет больше нуля, то для увеличения трещины необходим подвод энергии, что противоречит законам хрупкого разрушения. Следовательно, баланс энергий должен быть отрицательным.

5.2 Если ΔU меньше нуля, общая энергия пластины уменьшается, и трещина развивается самопроизвольно за счет упругой энергии пластины.

Условие перехода к нестабильному росту трещины при данном внешнем напряжении σ определится при равенстве нулю первой производной от dΔU по dc:

dΔU/ dc = 0 или 4 γ_s - 2π σ²/Е c = 0, (6.5)

т.е.

σ = ( 2Е γ_s/π с)^1/2 (6.6)

Полученное выражение характеризует критическое условие начала нестабильного распространения хрупкой трещины и означает следующее:

Чем больше длина трещины, тем меньшее напряжение требуется для ее распространения. Однако на практике разрушающие напряжения, на несколько порядков меньше рассчитанных по данной формуле. Исключение составляют идеально хрупкие материалы ( стекла ), для которых пластическая деформация полностью отсутствует. Отсюда следует, что для большинства металлов и сплавов основная причина расхождения расчетного и действительного разрушающего напряжения состоит в том, что в модели Гриффитса не учитывается возможность развития при хрупком разрушении пластической деформации. Следовательно, его предположение о внезапном (мгновенном, т.е. время слишком мало, чтобы могла развиться пластическая деформация) не верно.

Орован, проанализировав большое количество экспериментальных результатов, пришел к заключению о том, что часть недостающей энергии тратится на пластическую деформацию вблизи вершины хрупкой трещины. Как любая пластическая деформация, она осуществляется путем движения дислокаций в сравнительно тонком слое толщиной 10 мкм - 0,1 мм, в котором напряжения достигают величины, большей макроскопического предела текучести. При этом структурное состояние в этом слое эквивалентно структурному состоянию того же самого материала, подвергнутого статической деформации в несколько процентов. Орован предложил в формуле (6.6) вместо поверхностной энергии γ_s использовать сумму поверхностной энергии и энергии, затраченной на пластическую деформацию, т.е. γ_s + γ_р, после чего расчетные и действительные значения разрушающего напряжения стали максимально близки.

2)

Конструкционная прочность (от лат строение, построение) – это прочность материала конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов. В общем виде является комплексной характеристикой механических свойств, включающая в себя сочетание критериев прочности, надежности и долговечности или прочность, при которой обеспечивается надежность работы детали, конструкции, узла и т. п. Надежность - это комплексное свойство технического объекта (материала, прибора. машины, сооружения), заключающееся в его способности выполнять заданные функции с сохранением своих основных параметров в заданных пределах.

Конструкционная прочность обычно меньше собственно прочности материала, что связано с масштабным фактором прочности, влиянием источников концентрации напряжений, состоянием поверхности, наличием перегрузок в режиме работы технического объекта и т.п. Повышают конструкционную прочность оптимальным выбором материала, снижением механических напряжений, строгим соблюдением режимов транспортировки, монтажа, эксплуатации. Она оценивается на основе расчетов с использованием методов теории упругости, пластичности, механики разрушения. Определяется стендовыми испытаниями, имитирующими условия работы при максимально допустимой нагрузке или на натурных образцах.

2) Статическая (кратковременная) прочность – это прочность, которой обладает материал при статическом (быстром или медленном) нагружении в режиме растяжения, сжатия, кручения, изгиба. Разрушение материала происходит вследствие разрыва – хрупкое разрушение или сдвига – вязкое разрушение. На практике разрушение происходит при совместном действии отрыва и сдвига. Чаще всего статическая прочность определяется при испытаниях на одноосное растяжение, поскольку одноосное растяжение сравнительно легко поддается анализу, позволяет по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик материалов, являющихся критерием его качества и лежащих в основе инженерных расчетов. Статической прочности соответствует закаленное состояние сплавов, со структурой мартенсита или пересыщенного твердого раствора.