Шмаков Основи металознавства 2007 - Стор 9
ним або їх взаємне блокування (рис. 5.7) призводять до того, що ці ділянки металу стають нездатними до пластичного деформування. В результаті утворюються скупчення дислокацій, що призводять до локальної концентрації напруги. Коли ця напруга досягає певного рівня, металу, щоб зменшити внутрішню енергію, вигідно допустити злиття дефектів та утворення тріщини.
Мал. 5.7. Утворення тріщини внаслідок злиття дислокацій
Мал. 5.8. Розподіл напруг у площині гострої тріщини:
1 − низькопластичний метал; 2 − високопластичний метал
Тріщина в металі є концентратором напруги.
Це означає, що реальні напруги σ 0, що розтягують, у її вершини (рис. 5.8) можуть бути значно більшими, ніж «номінальне» навантаження σ N . Для довідки, чим гостріша та довша тріщина, тим більше відношення σ 0 / σ N .
Величина «реальних» напруг σ 0 у вершини тріщини за-
висить багато в чому від поведінки металу. Тут можливі дві різні ситуації. Припустимо спочатку, що метал, що руйнується, малопластичний, тобто. не здатний до значної пластичної деформації. В цьому випадку домінує пружна деформація, і в площині гострої тріщини виникають розтягую-
напруги σ 0
σ N l / r , де l − довжина тріщини, r − відст-
ня від її вершини. Зазначені напруги необмежено зростають при r → 0 і, отже, можуть досягти рівня теоретичної міцності ТЕОР . Тоді відбудеться розрив міжатомних зв'язків.
зей, і почнеться процес поширення тріщини у напрямку осі r (див. рис. 5.8). Зазначений процес протікає лавиноподібно, так як у міру зростання тріщина стає все більшою.потужним концентратором напруги. Розглянута вище схема характеризує найбільш небезпечне з інженерної точки зору крихке руйнування металу. Для тендітного руйнування характерна раптовість, некерованість і дуже висока (порівняна зі швидкістю звуку) швидкість поширення тріщини. Така руйнація назви-
ють катастрофічним (рис. 5.9).
Мал. 5.9. Приклади крихкої руйнації: а) корпус танкера; б) рейок
Альтернативна ситуація реалізується під час руйнування високопластичного металу. В останньому процес пластичної деформації «розвантажує» матеріал в області тріщини, що руйнує,
тому реальні розтягуючі напруги σ 0 не досягають рівня теоретичної міцності σ ТЕОР (див. рис. 5.8).
Інакше висловлюючись, пластична деформація забезпечує можливість релаксації напруг і цим перешкоджає тендітному руйнації зразка. Така тріщина називається в'язкою і мимоволі поширюватися не може.
Щоб зрозуміти механізм в'язкої руйнації, потрібно мати на увазі, що пластична деформація супроводжується утворенням великої кількості дислокацій та вакансій. Ці дефекти призводять до локального зміцнення (локального наклепу) металу. Тому, щоб підтримувати процес руйнування, необхідно по-
стоянно збільшувати розтягує напруга N . Однак по
мірою збільшення «номінального» навантаження буде збільшуватися кількість дефектів у сфері тріщини. Зрештою, вакансії та дислокації почнуть утворювати скупчення, внаслідок чого
зоні пластичного перебігу матеріалу r r P (див. рис. 5.8) виник-
нут вакансійні пори та мікроскопічні тріщини. Поглинаючи ці мікроскопічні несуцільності, головна (магістральна) тріщина повільно просуватиметься в металі. Таким чином,процес в'язкого руйнування виявляється дуже енергоємним. В'язкому руйнуванню приділяють зазвичай менше уваги, ніж тендітному, що пов'язано з його меншою небезпекою - відносно малою швидкістю поширення дефекту, що руйнує.
У полікристалічному матеріалі тріщина може поширюватися тілом зерна або вздовж його кордонів. За цією ознакою
розрізняють транскристалітне (внутрішньозерене) руйнування та інтеркристалітне (міжзерене) руйнування. Якщо в структурі металу присутні сторонні крихкі включення, з'являються додаткові можливості утворення тріщин в результаті руйнування самих включень або меж розділу між включеннями і матрицею. Здатність матеріалу чинити опір поширенню гострих тріщин називають в'язкістю руйнування або тріщиностійкістю. Як правило, подрібнення зерна підвищує тріщиностійкість металів, оскільки при дрібнішому зерні тріщина, що розвивається, частіше змінює свій напрямок.
Мал. 5.10. Схема уповільненого гідридного розтріскування
Мал. 5.11. Гідриди біля вершини тріщини у новонадорожненому цирконії
Важлива особливість процесів руйнування – їхня локальність. Це означає, що характер руйнування визначається не властивостями матеріалу в цілому, а властивостями порівняно невеликих обсягів матеріалу, розташованих безпосередньо біля вершини тріщини, що руйнує. Залежно від поведінки цих обсягів тріщина може виявитися «тендітною» або «в'язкою». Наочною ілюстрацією сказаного є специфічний механізм руйнування надорожчених металів і сплавів - уповільнене гідридне розтріскування. Суть цього механізму ось у чому.
Атоми водню, розташовуючись у порожнечах кристалічних ґрат металу, є джерелами стискаючих напруг. Щоб зменшитисумарне спотворення решітки, водень пере-
розподіляється та акумулюється у розтягнутій області біля вершини тріщини. Коли концентрація водню досягає межі розчинності, у зоні дефекту утворюється нова речовина – гідрид (рис. 5.10 та 5.11). Інакше кажучи, у площині тріщини відбувається поступове перетворення в'язкого металу на тендітний металевий гідрид. Це означає поступове зменшення тріщиностійкості матеріалу. Зрештою, тріщина робить стрибок через захищену гідридами область і зупиняється у в'язкому металі. Далі цикл повторюється знову і знову, що призводить до повільного руйнування виробу. Уповільнене гідридне розтріскування є одним із найнебезпечніших механізмів руйнування цирконієвих елементів активних зон водоохолоджуваних ядерних енергетичних установок.
1. Як одержують умовні діаграми розтягування (рис. 5.2)?
2. Що називають межею пропорційності та межею міцності металу?
3. Що називають фізичною та умовною межею плинності металу?
4. Назвіть основні характеристики міцності та пластичності металевого матеріалу.
6. Як впливає наклеп на пружність та пластичність металу?
7. Чи означає подовження зразка при зменшенні навантаження (ділянка D − E , див. рис. 5.2) зміцнення металу?
8. Яким чином можна вплинути на міцність та пластичність металу?
10. Що називають в'язкістю руйнування металу?
11. Вкажіть критерії та опишіть механізми в'язкого та крихкого руйнування металевих речовин.
РОЗДІЛ 6 БУДОВА МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ
§ 6.1. Поняття про металевий сплав