Механические свойства и модели разрушения металлов: Учебное пособие для вузов

Богатов А.А.

Екатеринбург, 2002 г.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ

Для изучения физических явлений, ответственных за процессы пластической деформации и разрушения металлов, важное значение имеют представления о кристаллическом строении вещества и теориидефектов кристаллической решетки. Знание общих закономерностей фазовых превращений и структурных изменений в металлах и сплавах позволяет сравнительно быстро находить технологические приемы повышения уровня механических и технологических свойств, а также эксплуатационных характеристик металлопродукции.

2.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердое, жидкое, плазменное и газообразное. Вещества в твердом состоянии могут быть аморфные и кристаллические. Особенностью кристаллического строения является наличие пространственной периодичности расположения частиц. В зависимости от типа химической связиатомов частицами являются либо атомы, либо ионы, либо молекулы. Для аморфных тел, также как и для жидких и газообразных веществ, дальний порядок в расположении атомов отсутствует. Частицы в кристаллах совершают периодическое движение относительно их равновесного состояния, а для тел, находящихся в жидком и особенно в газообразном состояниях, наблюдается хаотичное движение частиц.

Аморфные тела (металл в аморфном состоянии, стекло, смола, эбонит) иногда называют "замороженными" жидкостями, так как для них характерным является вязкое течениеВещества при нагружении, т. е. изменение формы во времени.

Свойства упругости, пластичности и деформационного упрочнения характерны для кристаллических тел, в меньшей степени — для аморфных твердых тел, и практически отсутствуют для жидкостей и газов. При этом не отрицается свойство жидкостей и газов упруго изменять объем.

РАЗРУШЕНИЕ

Под разрушением принято понимать разделение тела на части, либо появление макроскопической, видимой невооруженным взглядом трещины или поры. Моментразрушения чаще всего связывают с достижением напряжений, деформаций, либо работыдеформаций критических значений: Такие представления положены в основу многочисленных теорийпрочности материала, которые успешно используются в расчетах долговечности деталей машин и сооружений.

Физическое понимание процессаразрушениясвязано с изучением механизмов зарождения, развития, а также "залечивания" микротрещин, микропор и основано на представлении о деформации как процессадвижениядефектов кристаллического строения металла (вакансии, дислокации, дисклинации и т. п.). Однако до сих пор физические представления о взаимодействии и развитии микротрещин и микропор, особенно об их "залечивании", развиты недостаточно полно, чтобы связатьпроцессразрушения с условиями нагружения.

Разрушение следует рассматривать как процесс, состоящий из ряда последовательных стадий: зарождение трещин или пор субмикроскопических размеров, их последующее развитие, образование микротрещин и микропор, их слияние друг с другом с последующим образованием микрополостей и формирование макроскопической магистральной трещины, видимой невооруженным глазом, распространение которой заканчивается разделением тела на части.

5.1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И РЕАЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛА

Теоретический расчет прочностикристалла впервые был выполнен Я. Френкелем. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения т (рис. 5.1). При этом предполагалось, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего как одно целое, одновременно. Такой механизм принято называть схемой жесткого сдвига.

5.2. МОДЕЛИ ЗАРОЖДЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ДЕФЕКТОВ. ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ

Механизмы зарождения трещин и пор на атомном уровне основаны на представлении о том, что для разрушения необходима пластическая деформация, вызванная движением дислокаций.

Известны несколько моделейсоединениядислокаций и образования субмикротрещин. Так, торможение дислокаций и их скопление около препятствий (границы зерен, двойников, либо включения избыточных фаз) способствует сближению нескольких дислокаций, экстраплоскости которых сливаются, а под ними образуется зародышевая микротрещина. Модель образования микротрещины путем слияния дислокаций называется моделью Зинера—Стро.

Микротрещина может преобразовываться в микропору путем вхождения дислокации обратного знака в дислокационную микротрещину и ее затупления (рис. 5.2), что приводит к существенному уменьшению концентрации напряжений в ядре клиновидной дислокационной трещины или сверхдислокации.

Микропоры могут образоваться путем формирования локальных скоплений вакансий с последующей конденсацией их в поры. Вакансионному пересыщению кристаллической решетки способствуют большая пластическая деформация, радиационное облучение, закалка и т. п.

Модель формирования поры в результате сдвиговой деформации, протекающей за счет дислокационных перемещений в пересекающихся плоскостях скольжения, проиллюстрирована на рис. 5.3. Условия такого скольжения реализуются в макроскопическом масштабе, например, при поперечной или винтовой прокатке, при которой в осевой зоне заготовки вскрывается полость.

Особенности производства и эксплуатации металлических материалов способствуют возникновению газовых пор (пузырьков), причем давление газа может быть существенным.

Модель заторможенного сдвига. Эта модель, подобно предыдущей, предполагает блокировку дислокаций барьером. Отличие ее заключается в том, что в голове дислокационного скопления возникают не только касательные напряжения интенсивностью т, но и значительные нормальные растягивающие напряжения в области под плоскостью скольжения.

5.3. РАЗРУШЕНИЕметалла ПРИ БОЛЬШОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Исследование разрушенияметалла при большой пластической деформации имеет важное значение для понимания сути процессов, происходящих при обработкеметаллов давлением, позволяет обоснованно подходить к выбору рациональных способов и режимов пластического формоизмерения, не допускающих развития поврежденности металла и, как следствие, снижения механических свойствметалла и эксплуатационных характеристик (долговечности) изделий.

В механике деформируемого тела развивается феноменологический подход к исследованию процесса разрушения. Деформируемое тело представляется как среда, чаще всего с однородными и изотропными механическими свойствами, характеризующими упругое, вязкое и пластическое поведение тела под воздействием внешних нагрузок. Наличие микротрещин и микропор не означает нарушения сплошности и определяется тензором поврежденности. В частности, тензор нулевого ранга характеризует скалярную величину поврежденности, которая принимает значения в диапазоне от нуля до единицы. Равенство поврежденности металла нулю означает, что в рассматриваемой частице металлаобъемныедефекты отсутствуют. Иногда условно полагают, что до деформации, несмотря на наличие микродефектов в исходном состоянии, поврежденность со = 0. В Момент макроразрушения материальная частица, состоящая из большого конгломерата зерен, разрушается, появляется видимая невооруженным глазом макроскопическая трещина. Этот Момент характеризуется значением поврежденности металла со = 1.

Для развития феноменологических представлений о разрушенииметалла большое значение имеют экспериментальные данные о кинетике развития поврежденности при деформации в зависимости от характеристик напряженно-деформированного состояния и температурно-скоростных условий деформации. Поврежденность металла, определенную тем или иным физическим методом, ставят в зависимость от степенидеформации сдвига. Известно, что электросопротивление зависит от накопленной поврежденности металла. Измерениеэлектросопротивления образцов с различным уровнем поврежденности после пластической деформации, закалки и облучения позволило Ван Бюрену дать классификациюдефектов кристаллического строения вещества, а также разделить процессотжига на пять стадий, на каждой из которых скачком уменьшается

5.6. МОДЕЛЬ УМЕНЬШЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОСТИ металла ПРИ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Под залечиванием дефектов подразумевают совокупность физических процессов миграции, перераспределения, частичной или полной аннигиляции различного рода несовершенств в кристаллах. Эти процессы сопровождаются уменьшением свободной энергии, однако для протекания некоторых из них необходима термическая активация. Как уже отмечалось выше, Ван Бюрену, исследуя процессы образования и "залечивания" дефектов, удалось составить физическую картину термодинамически необратимых процессов "залечивания" и классифицировать их. В процессе возврата, т. е. до температуры рекристаллизации, может происходить аннигиляция пар Френкеля, бивакан-сий и дислокаций, дефектов упаковки. В заключительной стадии возврата, которая называется полигонизацией, происходит образование субзерен, их рост и разворот, происходит частичный возврат механических свойств, т. е. снижение упрочнения.

УПРУГОСТЬ, ВЯЗКОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ. КОНСТАНТЫ МАТЕРИАЛОВ

Упругость, вязкость и пластичность являются основными свойствами материала, определяющими его механические характеристики и напряженное состояние при воздействии на него внешней нагрузки, а также характер изменения напряжений и деформаций во время нагружения или после снятия нагрузки. В свою очередь знание о напряжениях и деформациях помогает решить многие технологические проблемы, а также оценить срок службыматериала в тех или иных условиях эксплуатации.

6.1. УПРУГОСТЬ

Свойством упругости обладают все материалы в твердом, жидком и газообразном состояниях. Однако, для жидкостей и газов характерно, в основном, упругое изменение объема, а для твердого тела еще и упругое изменение формы. Воздействие внешней нагрузки и температуры на телоприводит к изменению расстояния между частицами (атомами или молекулами), следовательно, к изменению их энергетического и силового взаимодействия друг с другом. Для большинства материалов снятие внешней нагрузки и температуры после упругого нагружения тела приводит к восстановлению его объема и формы без остаточных деформаций и напряжений. Это свойство обеспечивает высокую работоспособность деталей машин и элементов сооружений, а также длительную ПРОЧНОСТЬ материала.

При упругой деформациисвязь между частицами не нарушается, а происходит лишь изменение силы и энергии их взаимодействия. Благодаря этому можно объяснить распространение упругих колебаний в теле, волновое распространение упругой деформации и звука.