Деформация, разрушение, механические свойства металлов и сплавов

Разрушение твердого тела почти всегда происходит вследствие развития в нем некоторых поверхностей разрыва смещений. При этом, если реализуется разрыв нормального  к поверхности смещения, то говорят  о трещине нормального разрыва (отрыва) или просто трещине; если же реализуется разрыв касательного к поверхности смещения, то говорят о трещине сдвига или дислокации. Для роста трещин характерно преимущественное развитие одной наиболее опасной трещины (однако есть исключения, например рост трещин в условиях сжатия, близкого к всестороннему), способность ее к быстрому неустойчивому росту, обычно вызывающему разделение тела на части.

Впрочем, разрушения микронеоднородных  тел, прочность не зависит от величины начальной трещины и определяется характерными параметрами структуры тела, например величиной зерна (на это обстоятельство обратил в 1939 г. внимание Г. Нейбер; позже Г. П. Черепанов, 1967).

Исторически теория дислокаций и теория трещин сложились отдельно; различие этих теорий объясняется тем  обстоятельством, что в теории дислокаций рассматривают разрывы смещений, а в теории трещин на поверхности разрыва обычно задают силовые условия. Для решения вопроса о развитии трещины это так же важно, как, например, выбор правильного критерия разрушения для гладкого образца. Наиболее просто формулируется условие локального разрушения в теории так называемых квазихрупких трещин, когда наибольший размер области пластических деформаций в рассматриваемой точке контура трещины мал по сравнению с расстоянием этой точки до ближайшей границы тела. Простейший вариант этого условия на основе физических идей А. А. Гриффита и Г. Ней-бера был предложен в 1957 г. Он заключается в том, что коэффициент при особенности напряжений в рассматриваемой точке в момент локального разрушения (и продвижения трещины в этой точке) считается равным некоторой постоянной материала; при этом напряжения вычисляются в идеальной упругости тела.

Были предложены различные  модели детального механизма разрушения в конце квазихрупкой трещины. Модель Леонова -- Панасюка (1959), предложенная независимо от зарубежных авторов, наиболее проста и универсальна. Согласно этой модели принимается, что на продолжении трещины имеется область ослабленных связей; толщина этой области в рамках теории малых деформаций считается равной нулю. Кроме того, предполагается, что противоположные берега этой области притягиваются один к другому некоторым напряжением, представляющим собой константу материала, а в начале этой области, совпадающей с концом трещины, скачок нормального смещения в момент разрушения становится равным некоторой другой константе материала. Этот критерий может быть применен также к трещинам в упруго-пластических телах.

Подход к описанию развития трещин в произвольных сплошных средах был предложен Г. П. Черепановым (1967). Он основан на энергетической концепции и на представлении о сверхтонкой структуре конца трещины, размер которой мал сравнительно с размером пластической области вблизи вершины трещины.Теория предельного равновесия и теория хрупких трещин составляют основу современной механики разрушения. На основе этих теорий было решено много конкретных проблем большого практического значения. Эти теории дают идеализированное описание свойств пластичности и хрупкости, которые присущи в разной мере всем твердым телам.

2.2 Факторы, которые влияют на разрушение материалов

Существуют  такие факторы разрушения материалов: химическое или электрохимическое  взаимодействие материалов с коррозионной средой, атмосферная коррозия, подводная  коррозия, подземная и промышленная коррозии; трение; старение; трещины; нагрузки.

Разрушение материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. В системе международной стандартизации это понятие несколько шире: физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла или материала, и часто происходит ухудшение функциональных характеристик материала, среды. В результате коррозии образуются новые вещества, включающие окислы и соли коррозирующего материала, это - продукты коррозии. Видимые продукты атмосферной коррозии, состоящие в основном из оксидов железа, называют ржавчиной, продукты газовой коррозии при высоких температурах - окалиной.

К химической коррозии относятся процессы, протекающие при химическом взаимодействии между материалом и агрессивной средой, не сопровождающиеся возникновением электрического тока. Характерной особенностью процесса химической коррозии является образование продуктов коррозии в месте взаимодействия материала с агрессивной средой. По условиям протекания здесь можно выделить: газовую коррозию (коррозия металлов, вызываемая действием паров и газов при высоких температурах) и коррозию в неэлектролитах (коррозия металлов в жидкостях, непроводящих электрический ток).

К электрохимической  коррозии, относятся коррозионные процессы, протекающие в водных растворах  электролитов, влажных газах, расплавленных  солях и щелочах. При электрохимической  коррозии процесс растворения металлов сопровождается появлением электрического тока, как в материале, так и в агрессивной среде. При этом электрический ток возникает вследствие процессов коррозии. При электрохимической коррозии одновременно происходит два процесса: окислительный (растворение металла на одном участке) и восстановительный (например, восстановление кислорода). Эти два участка называют анодом и катодом и соответственно различают анодный и катодный процесс.

В зависимости  от условий протекания процессов  и характера разрушения металла  различают следующие виды коррозии:

- атмосферная  коррозия - коррозия в условиях  влажной воздушной среды. Это  наиболее распространенный вид  коррозии.

-подземная коррозия - разрушение металла под действием  почвы или грунта.

-подводная коррозия - коррозия под действием пресной, морской, минеральной и другой воды.

-промышленная  коррозия - коррозия материалов при  получении, переработке промышленно  важных сред.

Напряжения  могут вызывать усиленное коррозионное разрушение обычно местного характера. Не менее опасные разрушения могут иметь место при одновременном воздействии агрессивной среды и знакопеременных нагрузок.

Кроме того, выделяют коррозию при трении - разрушение материала при одновременном воздействии агрессивной среды и трения. Серьезные поражения металлов и материалов наблюдаются при коррозионной кавитации - разрушении при ударном воздействии коррозионной среды.

Старение - совокупность физических и химических процессов, протекающих в материале, приводящих к изменению его состава и структуры под действием влияющих факторов. Снижение химической стойкости и физико-механических показателей полимерных материалов в результате старения заключается в деструкции вещества. Под деструкцией понимают процессы, приводящие к уменьшению длины цепей или размеров макромолекул. Процессы деструкции протекают под воздействием тепла, света, излучений, кислорода, озона, механических напряжений. За меру химической стойкости неметаллических материалов, применяемых в качестве защитных покрытий, часто принимают величину их набухания в рабочей среде.

Трещины. Первые работы в сфере теории разрушения появились в 1921 году, разработал английский инженер Гриффитс. По Гриффитсу, страгивание трещины происходит тогда, когда приращение энергии деформации при прорастании трещины достигает энергии, идущей на образование новой свободной поверхности.

Переменность  нагрузки. Действие многократно изменяющейся во времени нагрузки может привести к внезапному разрушению материала, носящему хрупкий характер (усталостное разрушение). Окончательному разрушению предшествует образование трещины усталости. Излом имеет две зоны: гладкую (зона развития трещин) и грубозернистую (зона окончательного излома).В ряде случаев на материалы действуют нагрузки, сравнительно медленно изменяющиеся во времени. Если эти нагрузки повторяются многократно, то возможно разрушение конструкции, носящее усталостный характер. Подобные нагрузки называются повторно статическими. Способность материала сопротивляться разрушению при повторно статических нагрузках называется статической выносливостью. Исследования показывают, что при повторно статических нагрузках разрушение наступает при существенно меньшем числе циклов, чем при переменных нагрузках, повторяющихся с большой частотой. [4]

2.3 Взаимосвязь деформации с крепостью материалов

Крепость - это физическая способность материала оказывать сопротивление его повреждению при действии сил, ведущих к деформации и внутренние напряжения материала. Под действием этих известных сил материал просто напросто может подвергаться кручению, растяжению, изгибу, сжатию, срезу. Крепость крепкого вещества в принципе обусловлена свойственными ему силами атомного взаимодействия. Подобные силы, свойственные для молекул и атомов, имеют все шансы достигать очень больших значений. Но, в XX годах академик А. Ф. Иоффе показал нам наличие даже небольших неплотностей, трещин и других дефектов вещества, неизбежных в настоящих твердых материалах, в несколько раз уменьшает их прочность по сравнению с теорией. Таким образом, дефекты макроструктуры материала отрицательно отражаются на его твердости.

Твердость материала - это его способность сопротивляться пластической деформации или разрушению при местном силовом воздействии; одно из основных механических свойств материалов. Зависит от структуры материала и других его механических характеристик, от вида обработки поверхности, температуры, модуля упругости при деформации и предела прочности при разрушении.

Твердость измеряется вдавливанием в поверхность материала  или перемещением по ней под нагрузкой  специальных наконечников -- инденторов, имеющих сферическую, коническую или другую форму. В испытуемую поверхность материала вдавливают закаленный шарик диаметром d 2,5, 5 или 10 мм (это метод по Бринеллю). Число твердости по Бринеллю - НВ - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Для получения сопоставимых данных относительно твердые материалы (НВ > 1300) испытывают при отношении P/d2 = 30, материалы средней твердости (НВ 300-1300)-при P/d2 = 10, мягкие (НВ < 300)-при P/d2 = 2,5. Испытания проводят на стационарных или переносных твердомерах при плавном приложении нагрузки и постоянстве выдержки ее в течение определенного времени (обычно 30 с). При определении твердости по Виккерсу в поверхность материала вдавливают алмазный индентор в виде наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине в 136°. Для приблизительного определения твердости горных пород и других хрупких материалов используют метод Мооса, заключающийся в царапании исследуемого материала эталонным минералом. В этом случае твердость измеряется в условных единицах, соответствующих номеру минерала в десятибалльной шкале: тальк-- 1, гипс -- 2, кальцит -- 3, флюорит -- 4, апатит -- 5, ортоклаз - 6, кварц - 7, топаз - 8, корунд -- 9, алмаз -- 10.

Можно сказать, что связь между деформацией и крепостью материалов самая прямая, ведь это единственное и главное свойство материала сопротивляться деформации или разрушению при силовом ударе.

3 Особенности деформаций и разрушения металлов

3.1 Упругие и пластические деформации металлов

Упругая деформация металлов- деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил, когда размеры и форма тела после снятия нагрузки восстанавливается мгновенно, со скоростью звука, т.е. она проявляется за короткий промежуток времени. Она характеризуется упругими изменениями кристаллической решетки. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии -- сближаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

Пластическая  деформация металлов - приводит к остаточным изменениям формы и размеров тела. Пластическая деформация может осуществляться скольжением и двойникованием.

Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины. Смещение происходит по системам скольжения, причем с изменением температуры деформации системы скольжения могут изменяться.

Чем больше в  металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное  передвижение одной части кристалла  относительно другой. Такой жесткий, или синхронный, сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающие те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, помимо скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.