ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ и ПОРОГА ХЛАДНОЛОМКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

В зависимости от степени пластической деформации различают два вида разрушения: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает значительную пластическую деформацию, разрушение происходит путем сдвига. При хрупком макропластическая деформация отсутствует, разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна действующим нормальным напряжениям. Разрушение начинается от дефекта (микротрещины), вблизи которого концентрируются напряжения, превосходящие теоретическую прочность металла. У пластичных металлов благодаря релаксации напряжений их концентрация вблизи несплошностей сказывается недостаточно и развитие трещин скола (т.е. хрупких) не происходит. Вязкое и хрупкое разрушения характерны соответственно для аморфных (смолы, глины) или идеально упругих материалов (алмаз), большинству же реальных материалов присуще, в зависимости от условий эксплуатации или испытаний, и вязкое и хрупкое разрушения. Характерными признаками разрушения являются: энергоемкость (величина работы разрушения), вид трещины (а также поверхности излома), скорость распространения трещины.

Хрупкое разрушение происходит за счет высвобождения накопленной упругой энергии и для распространения трещины не требуется подвода энергии извне, поскольку ее затраты на образование трещины меньше, чем освобождающаяся при этом упругая энергия. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения.

При хрупком разрушении трещина имеет малый угол раскрытия (острая), пластическая деформация почти отсутствует; при вязком – трещина тупая, поверхность разрушения обычно значительно деформирована (рис. 1).

	Рис. 1. Вид трещины и схемы разрушения: а – хрупкое; б – вязкое
а	б

Макроизлом при хрупком разрушении имеет, как правило, блестящую поверхность, плоские грани расколотых зерен придают хрупкому излому металлический блеск (светлая составляющая). Излом при вязком разрушении имеет матовую волокнистую поверхность без металлического блеска (темная составляющая).

Скорость распространения хрупкой трещины сравнима со скоростью звука в металле (тысячи метров в секунду), вязкая трещина распространяется значительно медленнее, ее скорость определяется скоростью нарастания напряжения.

Наиболее опасным для реальных конструкций является хрупкое разрушение, поскольку оно происходит, как правило, при напряжениях, составляющих небольшую долю расчетных за счет концентрации напряжений в вершине острой трещины.

При появлении острой и длинной трещины напряжения вблизи ее вершины могут значительно (на 1-2 порядка) превышать приложенное напряжение. Поэтому для инициирования хрупкого разрушения совсем не обязательны высокие средние напряжения, достаточно, чтобы только в вершине трещины были превышены предельные для данного материала напряжения.

Процесс возникновения начальной микротрещины сопровождается микропластической деформацией даже при хрупком разрушении. Доказано, что перемещение дислокаций по плоскостям скольжения, почти не требующее энергетических затрат, их скопление у межфазных границ и других "непрозрачных" барьеров приводит к концентрации напряжений в локальной зоне и нарушению сплошности металла (микротрещина). Это зародышевая микротрещина при наличии напряжений подрастает за счет поглощения других дислокационных трещин до критической, когда напряжения в ее вершине достигнут уровня прочности.

Характер разрушения конкретного материала зависит от ряда факторов: температуры, условий нагружения, формы и размеров детали, вида концентратора напряжений (надреза), характера среды, свойств и природы материала (тип решетки, состав и структура, размер зерна и т.п.).

Рис. 2. Схема вязко-хрупкого перехода по Иоффе-Давиденкову

Влияние температуры на характер разрушения обычно иллюстрируют схемой А.Ф. Иоффе-Н.Н. Давиденкова (рис. 2), согласно которой смена одного типа разрушения другим определяется соотношением предела текучести s_Т и разрушающего напряжения s_ОТР. Температурная зависимость этих параметров различна. Точка пересечения s_Т-s_ОТР делит схему на две области: левее располагается область хрупких разрушений (s_ОТР < s_Т), правее – вязких (s_ОТР > s_Т). Температуру, при которой предел текучести становится равным разрушающему напряжению, называют температурой вязко-хрупкого перехода или температурой хрупкости (Т_ХР).

Свойство материалов хрупко разрушаться с понижением температуры называется хладноломкостью. Ее показателем и является критическая температура хрупкости Т_ХР (называемая также температурой перехода в хрупкое состояние или порогом хладноломкости).

Анализ причин хрупких разрушений показывает, что трещины хладноломкости обычно начинаются от нарушений сплошности металла (надрезов), являющихся концентраторами напряжений. В данном случае под надрезом понимаются любые дефекты – царапины, неметаллические включения, раковины, пустоты, непровары, пористость, технологические отверстия и резкие переходы сечений и т.п.

Хладноломкость материала зависит от скорости нагружения, коррозионного воздействия среды, размеров детали, металлургических и других факторов.

Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллического строения и структуры металла. Металлы с ОЦК-решеткой (сплавы на основе a-железа, хром, вольфрам, молибден), некоторые металлы с ГПУ-решеткой (цинк, магний, кадмий, кроме титана) являются как правило хладноломкими. Металлы с решеткой ГЦК (аустенитные стали, медь, никель, алюминий) не склонны к хладноломкости. Существенно понижается порог хладноломкости при измельчении зерна.

На практике чаще встречаются случаи смешанных разрушений (вязко-хрупких), когда в изломе наблюдаются волокнистые и кристаллические составляющие. Реальные сплавы разрушаются, как правило, вязко при высоких и хрупко при низких температурах. Порог хладноломкости для реальных сплавов изменяется в очень широких пределах: для некоторых сплавов хрома, молибдена и вольфрама Т_ХР составляет сотни градусов Цельсия выше нуля, для никелевых – близко к абсолютному нулю. Собственно порог хладноломкости характеризуют иногда двумя температурами: Т_В – верхняя граница порога, выше которого излом полностью вязкий (не менее 90 % волокнистой составляющей в изломе) и Т_Н – нижняя граница порога, ниже которой излом полностью хрупкий (не более 10 % волокнистой составляющей в изломе). Если порог хладноломкости характеризуют одной величиной, то указывают середину порога Т₅₀ или Т_ПХ – температуру перехода в хрупкое состояние, при которой в изломе 50 % волокнистой составляющей.