Основные типы разрушения металлов. Механизмы зарождения трещин. Критерий Гриффитса для хрупкого разрушения

          1.1 Основные типы разрушения металлов

          Существует три вида напряжений: сжимающие (отрицательные нормальные), растягивающие (положительные нормальные) и касательные. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызвать разрушения. Оно происходит под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения:

1  отрыв в результате действия растягивающих напряжений;

2  срез под действием касательных напряжений.

Считается, что отрыв может произойти без предварительной макропластической деформации, в то время как разрушению путем среза такая деформация всегда предшествует. Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез – вязкому (пластичному) разрушению. Именно на эти два типа подразделяются большинство случаев разрушения в металловедении. Кроме хрупкого и вязкого, рассматриваются еще два более специфических типа разрушения – усталостное и разрушение при ползучести.

Внешне хрупкое и вязкое разрушение отличаются величиной пластической деформации перед разрушением. Перед хрупким разрушением она обычно намного меньше, чем перед вязким, но четкой количественной границы провести нельзя.

Оба типа разрушения – вязкое и хрупкое – включают в себя две стадии:

1) зарождение зародышевой трещины и 2) ее распространение.

По механизму зарождения трещин хрупкое и вязкое разрушение принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано со скоростью распространения трещины.

При хрупком разрушении эта скорость очень велика – она достигает 0,4 – 0,5 скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

В поликристаллах трещина при разрушении может распространяться по телу зерна или вдоль границ. Соответственно различают внутризеренное (транскристаллитное) и межзеренное (интеркристаллитное) разрушение. При низких температурах межзеренное разрушение обычно наблюдается в хрупких материалах и обусловлено наличием на поверхности границ зерен частиц хрупких фаз или сегрегации примесей. Такое разрушение может происходить также при повышенных температурах, в условиях интенсивного развития межзеренной деформации.

1.2 Механизмы зарождения трещин

Зарождению трещины всегда предшествует какая – то пластическая деформация, т.е. движение дислокаций.

Наиболее часто трещины возникают у вершин скоплений дислокаций вблизи каких – либо барьеров: включений избыточных фаз, границ зерен, двойников, сидячих дислокаций и т.д.

Рисунок 1 –Схема зарождения трещин у вершины дислокационного

скопления (Стро)

Из схемы на рисунке 1 видно, что в непосредственной близости от барьера краевые дислокации в плоском скоплении могут под действием напряжений оказаться настолько тесно прижатыми друг к другу, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая микротрещина. Эта схема прямо предполагает необходимость некоторой пластической деформации, достаточной для образования дислокационных скоплений. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения дислокаций, под действием растягивающих напряжений, в результате концентрации касательных напряжений в головной части скопления.

Для металлов с о.ц.к. решеткой одной из модификаций этой схемы является модель, предложения Коттреллом (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема зарождения трещин в о.ц.к. металлах (по Коттреллу)

Допустим, что в растягиваемом образце дислокации с векторами