4.4. Разрушение металлов

Под разрушением понимают процесс зарождения и раз­вития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит в результате или развития нескольких трещин, или слияния рядом расположенных трещин в одну маги­стральную трещину, по которой происходит полное разрушение.

Разрушение может быть хрупким (в металлах – квазихрупким) и (или) вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение микро­трещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дисло­каций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед всевозможными включения­ми и т. д.).

В месте скопления дислокации они могут прийти в столь тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая трещина (рис. 28). Трещина образуется в пло­скости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 10¹² - 10¹³ см^-2, а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G. При хрупком разрушении возник­шая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина (при заданном напряжении) превышает некоторое критическое значение, а вер­шина трещины сохраняет остроту, соизме­римую (по радиусу у вершины) с атом­ными размерами. В этом случае напряже­ния на краю трещин оказываются доста­точными для нарушения межатомной связи. При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разруше­нии величина пластической зоны, идущей впереди распространяю­щейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вер­шины.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распростра­нения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика. Для стали скорость роста трещины достигает 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют «вне­запным», или «катастрофическим», разрушением.

Вязкое и хрупкое разрушения можно связать с энергоемкостью процесса разрушения при том или ином виде испытания. Вязкому разрушению соответствуют обычно высокие значения поглощенной энергии, т. е. большая работа распространения трещины. Энерго­емкость хрупкого разрушения мала и соответственно работа распространения трещины также мала.

С точки зрения микроструктуры существуют два вида разрушения – транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким. Надо отметить, что межзеренное разрушение присутствует всегда, но больше проявляется при хрупком разрушении.

По внешнему виду излома различают: 1) хрупкий (светлый) излом (рис. 29, a, 1), поверхность разрушения которого харак­теризуется наличием блестящих плоских участков; такой излом свойствен хрупкому разрушению; 2) вязкий (матовый) излом (рис. 29, а, 4), поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы – волокна, образующиеся при пластической де­формации зерен в процессе разрушения; этот излом свидетель­ствует о вязком разрушении. Смешанный характер разрушения показан на рис. 29, а, 2, 3.

Изучение тонкой структуры излома с помощью электронного микроскопа (микрофрактография) позволяет более уверенно судить о вязком или хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется ямочным («чашечным») изломом (рис. 29, б, пер­вый слева); ямка – микроуглубление на поверхности излома, возникающее в результате образования, роста и слияния микропустот. Глубина ямки определяется способностью металла к локаль­ной пластической деформации.

Излом при хрупком разрушении имеет ручьистый узор (см. рис. 29, б), представляющий собой систему сходящихся ступенек скола образующихся в результате деформации разрушения пере­мычек между хрупкими трещинами, распространяющимися путем скола по параллельным, близко расположенным кристаллографическим плоскостям. В отличие от вязкого разрушения хрупкое разрушение распространяется внутри отдельных зерен вдоль плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, называемой плоскостью скола.

Вязкий чашечный и хрупкий ручьистый изломы относятся к транскристаллическому разрушению.

При исследовании на электронном микроскопе хрупкое разрушение, идущее по границам зерен, выявляется в виде гладких поверхностей, так называемых фасеток зернопограничного скола часто с некоторым количеством выделившихся частиц (см. рис. 29).

Межзеренное разрушение облегчается при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы.

Одни и те же (по составу) сплавы в за­висимости от предшествующей обработки и метода испытания могут быть и вязки­ми и хрупкими.

Многие металлы (Fe, Mo, W, Zn и др.), имеющие ОЦК и ГПУ кристаллические решетки, в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обуслов­ливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило назва­ние хладноломкости. Явление хладнолом­кости можно объяснить схемой А. Ф. Иоффе (рис. 30). Понижение температуры практически не изменяет сопро­тивления отрыву (разрушающего напряжения), но повышает сопро­тивление пластической деформации σ_т (предел текучести). Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко. В указанных усло­виях сопротивление отрыву достигается при напряжениях, мень­ших, чем предел текучести. Точка пересечения кривых σ_т и S_отр, соответствующая температуре перехода металла от вязкого разру­шения к хрупкому, получила название критической температуры хрупкости, или порога хладноломкости (t_п.х). Чем выше скорость реформации, тем больше склонность металла к хрупкому разру­шению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению. С увеличением остроты и глубины надреза склон­ность к хрупкому разрушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем больше вероятность хрупкого разрушения (масштаб­ный фактор).