Изучение изломов металла

Излом может быть разным по виду, форме и способности к отражению света и, следовательно, различаться в зависимости от состава металла, его строения, отдельных дефектов, условий обработки и напряженного состояния, при котором произошло разрушение образца. Анализ излома позволяет установить многие особенности строения материалов, а в ряде случаев и причины хрупкого или вязкого разрушения.

Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в хрупком изломе можно видеть форму и размер зерен металла, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

При этом излом может проходить как по границам зерен (межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).

Вязкий излом имеет волокнистое строение. Форма и размер зерен металла при вязком изломе сильно искажены, так как разрушение в этом случае сопровождается значительной пластической деформацией.

Признаками вязкого разрушения являются:

- наличие значительной пластической деформации перед разрушением;

- разрушение путем среза, т. е. плоскость разрушения находится под некоторым углом к приложенным внешним нагрузкам;

- разрушение по телу зерна;

- поверхность излома имеет матовый оттенок и волокнистое строение.

К признакам хрупкого разрушения относятся:

- отсутствие предварительной пластической деформации перед разрушением;

- разрушение путем отрыва, когда плоскость разрушения перпендикулярна приложенным внешним нагрузкам;

- разрушение по границам зерен;

- поверхность зерен имеет блестящий, кристаллический оттенок.

Таким образом, вязкое состояние металла менее опасно, т. к. разрушение в этом случае можно предсказать и предотвратить. Хрупкое разрушение более опасно, т. к. оно происходит с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также из-за возможных аварийных последствий.

Основными факторами, влияющими на переход металла из вязкого в хрупкое состояние, являются следующие:

а) объёмно - напряженное состояние в металле;

б) концентрация напряжений;

в) низкие температуры;

г) скорость нагружения;

д) масштабный фактор.

Одноосное напряженное состояние возникает при растяжении гладких образцов до образования шейки. Это напряжение менее опасно с точки зрения хрупкого разрушения. Двухосное растяжение возникает при нагружении ёмкостей внутренним давлением. В этом случае появляются как σ₁, так и взаимно перпендикулярное σ₂, условия работы материала уничтожаются. Но наиболее опасным является трехосное растяжение, возникающее в местах концентрации напряжений, когда появляются и σ₁ и σ₂ и σ₃ (рис. 1).

Рис. 1. Различные напряжённые состояния:

а – одноосное; б - двухосное; в - трехосное

Концентрация напряжений – это возрастание напряжений вблизи отверстий, галтелей, шпоночных канавок, трещин и других внутренних и внешних дефектов материала. При наличии концентраторов напряжения в металле перераспределяются таким образом, что их максимальная величина находится на вершине концентратора (рис. 2).

Рис. 2. Схема распределения напряжений в образцах с концентраторами

Концентрация напряжения К тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой (1):

,

где l - полудлина дефекта, r – радиус закругления в вершине дефекта.

Это означает, что если такая предельно острая трещина (r=100нм) доросла до 1 мм, то в её вершине напряжение в 6000 раз больше среднего напряжения по всему сечению. Вот почему при ремонте размороженного двигателя или лобового стекла мотоцикла просверливают отверстие в вершине трещины, увеличивая тем самым радиус r и снижая пиковые напряжения. По этой же причине высокопрочные чугуны с округлой формой графита более качественны, менее хрупки по сравнению с серыми чугунами с чешуйчатой формой графита.

Отсюда вывод, если в изделии нельзя избавиться от концентраторов напряжений (отверстий, заклёпок, галтелей и др.), то нужно увеличить радиус r в вершине концентратора.

Основная опасность выбора и оценка материала для работы при низких температурах заключается в следующем. Если в основу конструкционного расчета заложены свойства материалов при комнатной температуре или на основании результатов испытания гладких (ГОСТ) образцов при низких температурах, то имеется, на первый взгляд, дополнительная гарантия надёжности работы материала при пониженных температурах. И это справедливо, если иметь ввиду, что почти все прочностные характеристики с понижением температуры испытания растут (рис.3, кривая 1). Однако при работе материала в конструкции материала практика показывает обратное (рис. 3, кривая 2).

Изделие при низких температурах хрупко разрушаются при напряжениях значительно ниже тех, которые получены при испытаниях гладких образцов. В этом случае не учитывается уменьшение характеристик пластичности и вязкости и на основе этого резкого увеличения чувствительности материала к концентраторам напряжений, неизбежно присутствующих в изделиях. Гладкие образцы концентраторов не имеют.

Поэтому для оценки надёжной работоспособности материала в конструкции при низких температурах необходимо в лабораторных условиях испытывать не гладкие (ГОСТ) образцы, а образцы с концентраторами, которые дают хорошую сходимость результатов испытания с поведением материала в изделиях.

Скорость приложения нагрузки влияет на переход металла из вязкого состояния в хрупкое однозначно. Чем выше скорость деформирования металла, тем легче он охрупчивается.

Рис. 3. Влияние температуры на разрушающее напряжение материала:

1 - гладкие (ГОСТ) образцы; 2 - изделия

Для оценки этого состояния проводятся испытания на ударную вязкость, под которой понимают способность материала к поглощению механической энергии вплоть до разрушения.

Масштабный фактор заключается в следующем. Чем крупнее изделие, тем больше вероятность нахождения в нём дефектов металлургического, технологического или эксплуатационного происхождения. А дефекты – это концентраторы напряжений.

Усталостный излом образуется в результате длительного воздействия на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Излом состоит из трёх зон: зарождения трещины, собственно усталостного распространения трещины и долома. Механизм усталостного разрушения следующий. Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона плоская и гладкая. Увеличиваясь при работе детали, трещина образует зону собственного усталостного распространения с характерными концентрическими бороздками или дугами и мелкозернистым, фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные участки гладкой притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ослабленное трещиной сечение детали не способно выдержать прикладываемой механической нагрузки. Долом бывает вязким или хрупким.

Поиск по сайту: