27. Макроскопический, микроскопический и субмикроскопический подходы к оценке процесса разрушения материалов.

Макроскопический подход.

При макроскопическом подходе изучаются условия равновесия тела с трещинами, соизмеримыми с размерами твердого тела. При этом свойства материала могут быть сильно идеализированы.

Так как, ещё до нагружения, детали машин и конструкций содержат концентраторы напряжений конструктивного и технологического характера, большие градиенты напряжений возникают с самого начала нагружения. Анализ напряженного состояния в области, окружающей вершину трещины или надреза, осуществляется с помощью методов линейной механики разрушения. Исследования на макроструктурном уровне определяют, главным образом, предельные напряжения и деформации в конструкциях. При макроскопическом подходе пренебрегаются атомное строение и структурные особенности материалов, а значит и учет взаимодействия дефектов и условий их объединения

Условие старта трещины определяется величиной напряжений, возникающих у вершины трещины. Эти напряжения используются для определения критериев трещиностойкости: критических значений коэффициента интенсивности напряженийК_1С или удельной энергии разрушения G,_c. Причем на результаты такого анализа значительно влияет толщина материала, используемого в конструкции.

При большой толщине образца велика вероятность того, что найдутся зерна с ориентацией, благоприятствующей распространению трещин, поэтому стабильность критериев К_1С иG_1C обеспечивается. Кроме того перед фронтом трещины располагается множество различным образом ориентированных зерен и трещина, при приложении нагрузки, начинает распространяться в тех зернах, в которых плоскость скола ориентирована так же, как плоскость трещины (или надреза).

При малых толщинах образца условия старта трещин зависят от ориентации того конкретного набора зерен, которые лежат перед фронтом трещины, и в этом случае значения, которые могут принимать К_1С иG_1C, лежат в довольно широком диапазоне и

нестабильность характеристик трещиностойкости порождает сомнения в целесообразности их применения [43]

В связи с этим при испытаниях на трещиностойкостъ, всегда оговариваются условия, при которых трещина развивается в конкретном образце, детали (условия плоской деформации, плоского напряженного состояния). Обеспечение этих условий достигается определенной толщиной образца.

Чтобы выяснить детали механизма разрушения с макроскопических позиций, необходимы расчетные модели, учитывающие пластическое поведение хрупкой трещины. Это позволяет получать картину распределения деформаций и напряжений в пластической зоне и в окружающем упругом материале, хотя и без учета упрочнения, сопровождающего пластическую деформацию

Возможности макроскопического подхода могут расширяться и его можно применять для описания процессов деформации и разрушения с любой степенью детализации, если только выполняется условие локального статистического усреднения свойств материала, т.к. за средними (интегральными) величинами остаётся основное инженерное значение. Т.е. решение задач на макроскопическом уровне даёт большую информацию и является средством вычисления определенной величины (например, среднего местного удлинения при данной степени поперечного стеснения или раскрытия трещины), характеризующей разрушение

Основными параметрами, используемыми при анализе разрушения на основе подходов линейной механики разрушения, являются:

1. энергия на единицу длины трещины в момент возникновения макропластической нестабильности или нестабильности разрушения (или, что то же, критическое или пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений);

2. критическая длина трещины, отвечающая возникновению нестабильности пластической деформации или нестабильности разрушения Указанные параметры, характеризующие вязкость разрушения материала, являются основными при выборе материала для заданных условий нагружения и при расчёте деталей машин и конструкций на прочность

Исследования на макроструктурном уровне обычно находятся на грани с микроскопическим и поэтому существует связь между общими характеристиками поведения конструкции, даваемая теориями механики разрушения для упругого, пластического и упруг с пластического состояний, с общими характеристиками поведения на микроуровне. Эта связь осуществляется через положения теории подобия.

Микроскопический подход

При этом изучается этап формирования из микротрещин магистральной трещины с размерами, соизмеримыми с размерами зерна. Т.е. для микроскопического описания поведения твердого юла требуется представить его в виде совокупности структурных единиц существенно больших размеров, чем размеры атомов.

До настоящего времени все основные результаты по анализу процесса разрушения в рамках микроскопического подхода были получены при рассмотрении статического взаимодействия дефектов, распределенных определенным образом в исследуемых областях материала: дислокационные модели зарождения и распространения микротрещин. Так, исследованиями на микроскопическом уровне выявлено, что в вязких материалах в зоне шейки образца образуются поры. Поры в большинстве случаев образуются на многих включениях и частицах второй фазы. При дальнейшем нагружении размер пор увеличивается, происходит разрушение «мостов» между соседними порами, а также образование магистральной вязкой трещины, которая выходит на поверхность образца под углом (разрушение по типу конус-чашечка).

Первые обобщения макроскопических и микроскопических основ разрушения сделаны в обзоре [1] Г.Либовица (США).

Применение микроскопического подхода дает возможность оценить роль различных элементов микроструктуры, таких, как границы зерен и субзерен; двойников, включений и выделений и т.д. Так, внутризеренная трещина критического размера не всегда означает полное разрушение поликристаллического образца, т.к. внутреннее разрушение может останавливаться или замедляться границей зерна

Следует отметить, что металловедами накоплен богатейший эмпирический материал по поведению различных конструкционных материалов при всевозможных температурно-силовых воздействиях, по изучению влияния технологических факторов на структуру и свойства материалов, по изменению фазового и структурногосостояний материалов с помощью термических, механико- и химико-термических обработок.

Металловедческий подход сочетает понятия и теоретические схемы, заимствованные как из физики и химии твердого тела, так и из механики деформируемого тела и разрушения.

При анализе разрушения с позиции металловедения рассматривают характер распространения трещины вполикристаллах: по телу зерна (т.н. внутризеренное илитранскристаллитное разрушение) и вдоль границ зерен (межзеренное или интеркристаллитное разрушение). При низких температурах межзеренное разрушение обычно наблюдается в хрупких материалах и обусловлено наличием на поверхности границ зерен частиц хрупких избыточных фаз или сегрегаций примесей. Такое разрушение может происходить также и при повышенных температурах, в условиях интенсивного развития межзеренной деформации. Тенденция к межзеренному разрушению усиливается по мере уменьшения скорости деформации

Следовательно разрушение является структурно чувствительным процессом и определяется поведением материала в локальном его объеме, а именно в непосредственной близости (на микронных расстояниях) от вершины трещины, а характеристики разрушения образца или конструкции определяются локальными процессами в микрообъемах.

Развитие механики структурных сред и статистической теории прочности позволяет подвести под металловедческий подход к проблемам прочности теоретическую базу, соответствующую структурному уровню рассмотрения явлений разрушения.

Субмикроскопический подход.

При субмикроскопическом подходе рассматриваются явления зарождения микронесплошностей, в результате взаимодействия дефектов кристаллической решетки и их подрастания до микроскопического масштаба.

Однако использование физических теорий для количественной оценки прочности технических материалов представляется малоперспективным . В процессе развития физики твердого тела была установлена ограниченность основных гипотез, которые легли в основу механики деформируемого тела. Рассмотрение проблем прочности на основе представлений о дискретности строения вещества требует задания микроскопического состояния тела, дляописания которого требуется не менее 10²⁴ параметров [43]. Т.е. реализация такого подхода лежит за пределами возможностей вычислительной техники. Этот подход применим длямонокристаллов с числом атомов, не превышающим 10⁹.

При анализе разрушения на основе подходов физики прочности используются: 1) энергия активации процесса, контролирующего скорость разрушения U₀и 2) активационный объём.

Наличие определенного соответствия между микро- и макропроцессами разрушения обусловливает взаимосвязь между энергией на единицу длины трещины и энергией активации процесса, контролирующего скорость разрушения, а также между критической длиной трещины и активационным объёмом

Следует отметить, что физические закономерности процесса разрушения определяются в значительной мере макроскопическими (напряжение, деформация), микроскопическими и субмикроскопическими величинами. Отсутствие количественной (а иногда и качественной) связи между указанными подходами является наиболее важной проблемой теории разрушения.

Таким образом, принцип рассмотрения явлений деформирования и разрушения на разных структурных уровнях позволяет сконцентрировать усилия многих специалистов на различных аспектах проблемы прочности и разрушения, в соответствии с условиями применимости каждого из подходов механиков - на макроскопическом; металловедов — на микроскопическом, и физиков на субмикроскопическом.

Но независимо от выбранного подхода, при анализе процесса разрушения, в конечном счете, необходимо ответить на следующие вопросы теории разрушения [3]:

1. какой материал и в каком структурном состоянии является оптимальным для заданных условий нагружения;

2. какие наиболее информативные методы и критерии следует выбрать для выявления сопротивления материала зарождению и распространению трещины;

3. какие требования к технологии изготовления изделия необходимо соблюсти, чтобы повреждаемость материала была минимальная;

4. как проектировать изделие с точки зрения наиболее благоприятного распределения напряжений у предполагаемых дефектов и концентраторов напряжений;

5. какова история разрушения по фрактографическим параметрам.

Для ответа на эти вопросы необходимо знание основных закономерностей разрушения материала.