Диагностика металлов

Горицкий В.М.

Металлургиздат, 2004 г.

Основные виды разрушения металлов

Выделяют следующие основные виды (механизмы) разрушения конструкционных материалов: вязкое или пластическое, хрупкое, усталостное, ползучесть, коррозионное, эрозионное.

Первые четыре вида разрушения реализуются под действием механических нагрузок.

Строго говоря, коррозия — процесс самопроизвольный, сопровождающийся снижением свободной энергии материала. Его результатом является появление термодинамически более устойчивых по сравнению с исходным материалом химических соединений. По механизму процесса коррозию подразделяют на:

химическую— за счет гетерогенной химической реакции, приводящей к образованию продуктов коррозии непосредственно на участке, подвергающемся коррозии. К ней относят коррозию газовую и коррозию в электролитах;

электрохимическую — подчиняющуюся законам электрохимической кинетики и включающую две группы реакций — катодную и анодную, которые не обязательно локализованы на определенных участках поверхности корродирующего элемента. За счет возникающего электрического тока возможно удаление продуктов коррозии с участков разрушения.

В последнее время, ввиду практической важности для трубопроводного транспорта и других отраслей производства, выделяют биохимическую коррозию — процесс, связанный с воздействием микроорганизмов на металл. При этом металл, разрушаясь, является питательной средой и (или) подвергается воздействию продуктов выделения микроорганизмов.

Следует отличать коррозию от эрозии — постепенного механического разрушения металла под воздействием абразивных и (или) трущихся частиц.

В настоящей работе будут рассматриваться только первые четыре вида разрушения металлов, возникающие под действием преимущественно механических и (или) термических нагрузок.

Механическое разрушение материалов обычно рассматривают на трех уровнях: атомных связей, микроструктурном и континиумном. С позиций физического подхода разрушение реализуется через разрыв отдельных атомных связей. Механика, большей частью, пренебрегает структурой, и по-существу, в рамках механического континиума оперирует с полями напряжений и деформаций. Микроструктурный уровень разрушения по масштабу рассматриваемого явления занимает промежуточное положение.

Дальнейшее развитие представлений о природе разрушения предполагает органическое соединение достижений в исследовании процессов повреждаемости и разрушения с позиций физики и механики разрушения. На объединении таких подходов и родилась новая дисциплина - структурная механика разрушения. Некоторые из положений настоящей работы, в частности, при оценке характеристик трещиностойкости, учитывающие элементарные акты разрушения у вершины макротрещины, основаны на представлениях структурной механики разрушения.

С современных позиций определение степени повреждаемости материала и возможности его разрушения обязательно предполагает учет стадийности, вид, условия и среду нагружения. Поскольку на всех стадиях разрушения исключительно велика роль пластической деформации, правомерно при диагностировании материала всегда учитывать связь характеристик его структуры с особенностями пластической деформации при зарождении и распространении трещин.

При однократном нагружении в зависимости от величины пластической деформации у вершины трещины различают хрупкое и вязкое разрушение.

Хрупким  называют такой вид разрушения твердого тела (элемента или всей конструкции), при распространении трещины в котором размер зоны пластической деформации у вершины трещины пренебрежимо мал по сравнению с размером трещины или поперечником твердого тела (элемента конструкции), вязким - когда размер зоны пластической деформации у вершины распространяющейся трещины сравним с величиной трещины или поперечным размером твердого тела.

Детали машин, механизмов и элементы конструкций работают в сложных температурно-силовых условиях. К числу наиболее часто встречающихся режимов нагружения следует отнести повторное (переменное) приложение нагрузок. Диагностирование усталостной повреждаемости элементов конструкций — одна из сложнейших технических задач. С повышением температуры эксплуатации металлических конструкций резко интенсифицируются процессы диффузии и структурных изменений. В этих условиях наиболее частой причиной отказа конструкции или ее элемента является ползучесть.