При изучении излома можно выявить зоны, где наиболее не благоприятно сочиталить условия нагружения, что нельзя выявить другими методиками. А так же получить сведения о том, как протекал процесс разрушения. Поэтому в настоящее время для фактографии используют электронные микроскопы.       

Для изучения атомнокристаллической структуры твердых тел применяют рентгенографические методы исследования. Рентгеноструктурный анализ позволяет определять степень совершенства кристаллов, величину микро напряжений, а так же дает возможность изучать те структурные изменения, которые происходят при пластической деформации и концентрации дефектов.

Образование вязкой трещины связано с реальным строением металлов – наличием различноорентированных зерен, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. В этих условиях при ракетной средней величине напряжений, не превышающей значение придела упругости, фактические напряжения в металле распределяются не равномерно.

Трещины являются сильными концентраторами напряжений и из них образуется микротрещены, далее соединяющиеся в общую трещину, постепенно распространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в результате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения. В отдельных перенапряженных зернах происходит пластическая деформация.

Свойства стали определяются размером действительного зерна. Увлечение его размеров сравнительно мало влияет на предел прочности, но резко снижает вязкость и повышает критическую температуру хрупкости. Следовательно, перегретая сталь с крупным зерном имеет пониженные механические свойства, особенно пластичность и вязкость, т. е. склонна к хрупкому разрушению.

Различные способы магнитного анализа используют при исследовании процессов, связных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Магнитный анализ широко применяют при решении задач, исследовании влияния на структуру режимов термической обработке деформации.

Метод внутреннего трения основан на изучении необратимых потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела. Используя этот метод, можно осуществить расчеты коэффициентов диффузии с высокой точностью, в том числе и при низких температурах, где никакой другой метод не применим, определять изменение твердых растворов, получать информацию определения вязкой трещины по измерениям мезогеометрии излома.

Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-мехническими процессами, происходящими в самом образце (теле).

Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектом металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений. В связи с этим такие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений. Пик напряжений тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения и чем больше глубина надреза. Т. к. вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия. Внутреннее остаточное напряжение возникающие и уравновешивающиеся в приделах тела без действия внешней нагрузки.

Внутреннее остаточное напряжение получается в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, напряжения появляются в процессе кристаллизации при неоднородной деформации, при термической обработке  вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему по излому. Их называют фазовыми или структурными. 

Объемные дефекты имеют значительную протяженность во всех направлениях. Примерами таких дефектов являются усадочные, газовые раковины, трещины, образовавшиеся на различных этапах технологического процесса производства металла. Для кристаллов характерен механизм диффузии который связан с понятием флуктуаций, т. е. беспорядочное отклонение случайных величин в обе стороны от их случайного значения. Наличие флуктуации обусловлено атомной структурой вещества и тепловым движением частиц. Средняя тепловая энергия колеблющихся атомов в зависимости от температуры составляет 0,025-0,2 эВ. В кристаллах наблюдаются вакансии, то есть пустоты. Источниками вакансий являются свободные поверхности кристалла: границы зерен, трещины и поры в внутри кристалла.

Перемещение инородных атомов определяет процесс гетеродеффузии. Когда чужеродные атомы переходят из одного узла решетки переходят в другой, для этого требуется удаление из узла решетки атома основного металла, такой процесс требует значительной энергии.

При встречи вакансий может происходить их скопление, а так же перерождение и другие виды дефектов – в субмикроскопические трещины и линейные дефекты (дислокации). Сток вакансий к существующим трещинам и порам приводит к увеличению размеров трещин. В этом случае имеет место значительное раз упрочнение металла, то есть точечные дефекты оказывают существенное влияние на прочность металлов. Дислокации могут образоваться при кристаллизации. В результате образуется новый единый кристалл с не полностью заполненной атомной плоскостью, которую называю экстраплоскостью. Могут наблюдаться искажения в расположения атомов в кристалле, поэтому по размерным признакам край экстраплоскости создает линейный дефект, который называется дислокация.

Существуют методы изучения кристаллического строения металлов в масштабах зерен и их комплексов. Размеры зерен в поликристалических телах могут колебаться в пределах 0,0001-0,1 см. Поэтому в ряде случаев оценку кристаллического строения можно дать на основе рассмотрения невооруженным глазом или при малых увеличениях. Макроанализ  применяется для установления крупных дефектов строения металла, расположения волокон, вызванного соответствующими технологическими процессами. Макро анализ поверхности разрушения деталей позволяет установить причины вызвавшие разрушение. Для изучения микроструктуры (образования трещин, расположения зерен) применяется микро структурный анализ,  в котором используются электронные микроскопы.

Изменение свойств металла после пластической деформации связано с ростом дислокации, которая характеризуется суммарной длинной дислокации, содержащихся в одном сантиметре кубического металла. Деформации сопровождается дроблением блоков в кристаллах. Наклеп металла сопровождается изменением и других физических свойств, происходит уменьшение коррозионной стойкости. Вязкое разрушение, в результате чего образуется вязкая трещина происходит путем сдвига под действие касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 450 к направлению главных нормальных напряжений. Большинству реальных материалов присуще как вязкое, так и хрупкое разрушение. Характерным признаком вязкого разрушения является энергоемкость, т. е. величина работы разрушения, вид трещины, поверхность излома и скорость распространение трещины. При образовании вязкой трещины затрачивается большая работа. Для развития вязкой трещины необходим непрерывный внешний подвод энергии расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоления возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственного разрушения.

При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации. При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транс кристаллический характер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах имеет меж кристаллический характер.

Излом при вязком разрушении имеет волокнистый характер без металлического блеска, которое обнаруживается с помощь. Электронно-микроскопического исследования. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений, поэтому в случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. Существует ряд моделей дислокационного механизма зарождения трещины. Согласно общей модели Зинера, краевые дислокации движутся по плоскости скольжения к препятствию. Если при подходе они не могут одолеть этот «непрозрачный» барьер, то образуется нагромождение дислокаций, возникает концентрация напряжений. При этом в этой зоне напряжение может превысить приложенное напряжение.

Когда напряжения превзойдут силы межа томной связи материала, возникает микро трещина. Следующей стадией разрушения является подрастание зародышевой микро трещины до трещины критического размера, когда будет достигнута критическое соотношение между действующим напряжением и длинной трещины. Росту трещины способствует взаимодействие полей напряжение у ее вершины.

Таким образом, стадии зарождения микротрещины и ее подрастание до критического размера являются следствием движения дислокаций, т. е. пластической деформацией металла.

Дефекты типы трещин являются концентраторами напряжений, которые тем больше чем острее трещина и больше ее длина. В случае достаточно острой и длинной трещины напряжение вблизи ее вершины могут достигать значений, превышающих разрушающее напряжение материалов даже при сравнительно малом приложенном напряжении. Чтобы предсказать поведение трещины необходимо провести метод напряженного состояния вблизи вершины трещины. При продвижении трещины имеют место процессы: высвобождения упругой энергии, запасенной системой и затрата энергии на образование новых поверхностей трещины. Хрупкая тонкая пластина единичной толщины находится под действие внешних сил, которые создают напряжение. Поведение трещины в растягиваемой пластине зависит от того в какую сторону будет меняться общая энергия пластины при малом превращении длины трещины. Если с ростом трещины энергия пластины будет уменьшаться, то трещина будет расти без внешнего дополнительного воздействия, т. е. самопроизвольно. Рост трещины связан с пластической деформацией идущей впереди вершины трещины. При плоской деформации зона пластической деформации значительно меньше, чем в случае плоского напряженного состояния.

Вязкая трещина определяется относительным развитием нормально и наклонно участков разрушения. У достаточно толстых образцов с высоко развитой поверхность нормально разрушения вязкость разрушения приближается к предельному значению в условиях плоской деформации. Знания вязкости разрушения позволяет определять максимально допустимые напряжения конструкции при наличии трещин определенной длины.

Статические, динамические и циклические испытания сопротивления развитию вязкой трещины сводятся к следующему в образцах определенной формы и размера наводится искусственная трещина.  Затем производят нагружение образца с одновременной записью нагрузки и смещения берегов трещины. Имеются виды образцов для определения вязкости разрушения при нагружении: цилиндрический образец с кольцевым надрезом и трещиной для испытаний на осевое растяжение и изгиб; плоский образец с центрально сквозной трещиной на осевое растяжение, плоский образец с боковым односторонним надрезом и трещиной для испытаний на растяжения плоский образец с боковым надрезом и трещиной для испытаний на сосредоточенный изгиб. Форму и размеры образцов для определения характеристик вязкости разрушения выбирают с учетом цели испытания и назначения. Вовремя опыта производится автоматическая запись данных о нагрузке на образец и росте трещины. После того как образец трещины подготовлен, он устанавливается в испытательной машине и производится его непрерывное нагружение с одновременной записью диаграммы нагрузка. Образцы должны иметь толщину, обеспечивающую разрушения в условиях плоской деформации. Основным недостатком испытаний на вязкость разрушения в условиях плоской деформации является необходимость использования больших образцов при исследовании материалов средней и низкой прочности.

Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего  вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные с понижением температуры прочность растет и при определенных условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.

Размер зерна поле кристаллических материалов является одним из основных параметров микроструктуры. Уменьшение размеров зерен позволяет увеличить прочность и вязкость металла, поэтому при измельчении зерна возрастает вязкость разрушения. Использование такого метода как контроль процесса выплавки и особенно раскисления стали, понижение температуры конца прокатки, термоциклическая и термомеханическая обработка, которые способствуют измельчению зерна, позволяет одновременно повысить вязкость разрушения.

Влияние лидирующих элементов на вязкость разрушения, прежде всего, обусловлено их воздействием на величину зерна. Элементы, которые способствуют измельчению зерна, повышают вязкость разрушения, а элементы, упрочняющие твердые растворы наоборот понижают вязкость разрушения. Знания параметров вязкости разрушения позволяют обеспечить надежность конструкции, это важно в тех случаях, когда применяются высопрочные материалы в новых проектах, которые не имеют аналогов в прошлом, а безопасность изделий должна быть, бесспорно, обеспечена.

Оценку для определения переднего фронта вязкой трещины можно найти по виду излома разрушегося образца. Метод основан на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома ударных образцов. Вязкий излом имеет характерное строение с пепельным оттенком. С понижением температуры количество волокнистой составляющей в изломе снижется, появляются блестящие участки. Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой структуры равны 50%.

В большинстве случаев надо определять не только общую работу разрушения при ударном изгибе, но и ее составляющие, а именно работу за рождение и работу развития трещины. Работа зарождения переднего фронта вязкой трещины зависит от радиуса надреза. Чем острее надрез, тем меньшая работа нужна для зарождения трещины. Работа развития трещины мало зависит от мезогеометрии надреза и лучше характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно используют образцы заранее инициированной трещины. При испытании пластичных материалов работа разрушения образца с трещиной превышает истинную работу развития вязкой трещины на величину работы пластической деформации, расходуемой на изгибную и поперечную макродеформации.

Метод определения – ударной вязкости основан на линейной зависимости ударной вязкости от радиуса надреза.

Один и тот же материал под действием различных приложенных нагрузок может давать хрупкий или вязкий излом. Излом называют вязким в том случае если до разрушения материал обладал значительной пластичностью. Определение переднего фронта вязкой трещины заключается в испытании на ударную вязкость. Это один из методов который состоит в следующем: испытание на изгиб, испытание образца имеющего надрез и испытание действием ударной нагрузки. Испытания на вязкость, вязкой трещины позволяют изучать процессы старения, контролировать правильность термообработки и испытывать сварные соединения. Преимущество этого метода состоит в быстроте, малом расходе материала.  

Распределения нагрузки в изотропном теле может быть описано шестью компонентами при условии использования мезогеометрии. В координатных плоскостях действуют нормальные компоненты напряжения и тангенциальные компоненты напряжения. С помощью этих главных напряжений могут быть рассчитаны сдвигающие усилия, действующие в других плоскостях. Сумма главных напряжений может быть равна 0, в этом случае систему называют деформационной. Действие нормальных напряжений вызывает упругое искажение атомной решетки.

В отличии от нормальных напряжений здвиговые напряжения могут вызывать пластическую деформацию, обусловленную сдвигом атомных слоев. При гидростатическом напряженном состоянии сдвигающие усилия отсутствуют. Это значит, что вплоть до наступления хрупкого излома материал не деформируется. При наличии деформационной системы наступит момент, что разрушение произойдет после заметной пластической деформации. Такой метод распределения напряжений по трем координатных осям может быть применен к определением вязкой трещины по измерениям мезогеометрии излома. В результате этого возникает местное растяжение материала, надрез выполняет сужение сечения, надрез устраняет появления сдвигающих напряжений. 

Самый важный параметр  - величина ударной вязкости. Чаще применяют методику, по которой определяют отношение площади кристаллического пятна на поверхности излома к общей величине сечения образца до разрушения на участках, которые имеют кристаллическую поверхность излом носит хрупкий характер. Для получения более точных результатов данную поверхность излома проектируют в увеличенном виде на матовое стекло.

Другой важный параметр – угол, который образуют после испытаний обе половины образца с центральной осью проходившей через образец до испытаний.

Оба эти метода то есть определение величины кристаллического пятна и угла изгиба металла, имеют перед методом определения работы при разрушении металла то преимущество, что найденные значения всегда могут быть проверены, если сохранить испытанный образец. Скорость, в которой груз ударяет по данному образцу, составляет  5-7 метров за секунду. Работа, затраченная на разрушение образца может быть найдена сравнительно просто, экспериментальное же определение силы удара и деформация образца, то есть нахождение  составляющих интегралов работы сопряжено  с большими трудностями.

Сила, которая производит работу, может дать испытания на ударную вязкость. Трещины начинают появляться в образце чаще еще до достижения максимума. Трещина при этом увеличивается, в то время как изгиб образца не меняется.

Ударная вязкость стали уменьшается при увеличении содержания углерода, серы, фосфора и азота. Ухудшение ударной вязкости наблюдается: участок крутого спада температурной кривой зависимости, ударной вязкости смещается в сторону более высоких температур.  Ударную вязкость часто измеряют для контроля правильности термообработки.

С увеличением мелкозернистости структуры растет ударная вязкость, и участок резкого спада смещается в сторону более низких температур. Контроль ударной вязкости – единственный метод обнаружения закалочной хрупкости. Закалочной хрупкостью обладает такая сталь, которая при медленном охлаждении обладает меньшей вязкостью.

Микроанализ применяется для определение формы и размеров кристаллических зерен, атак же для выявления микро трещин. Для выявления микроструктур производится травление. Для травления полированной поверхности образцов наиболее часто применяются растворы кислот щелочей и солей. Травление производится или погружением образца в травитель, или нанесением тавителя на полированную поверхность образца. После травления микро шлиф промывается и высушивается, для выявления структуры высоко лисированных специальных сталей применяют электролитическое травление. Выявление структуры может быть так же произведено нагревом полированного образца. Этот способ основан на том, что при нагреве его структурные составляющие окисляются не одинаково быстро и окисляются в различные цвета.

После травления микро шлиф устанавливается микроскоп, и микроструктура рассматривается в отраженном свете. При рассмотрении на металлографическом микроскопе видна структура металла, потому что отдельные структурные  составляющие травятся по-разному, одни сильнее другие слабее. При освещении протравленного микро шлифа лучи света будут по-разному отражаться от различно про травившихся структурных составляющих, одни слабее другие сильнее, поэтому одни будут светлее другие темнее. Таким образом, на разнице в состоянии поверхности и количестве отраженных лучей и основана выявления микро трещин металла.

Высокопрочные и средне прочные материалы характеризуются низкими значениями вязкости разрушения. Вязкость большинства материалов работающих при низких температурах достаточно высока, что затрудняет при расчете использование методов механики разрушения. Величина коэффициентов запаса не имеет достаточно теоретического обоснования и в значительной степени обусловлено сложившимися традициями расчета. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации, а вязкость – способность поглощать работу внешних сил при разрушении.

Конструкционные стали кроме высоких механических свойств должны иметь высокую прочность. К свойствам, определяющим надежность материала против внезапных разрушений относятся: прочность, долговечность. Конструкционная сталь должна обладать хорошими технологическими свойствами – легко обрабатываться давлением иметь малую склонность к деформации и трещенообразованию при закалке.

Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой гарячекатанной, калиброванной и шлифованной стали, в виде листов полос фасованных профилей. Для получения более чистой по примесям стали ее рафинируют жидким синтетическим шлаком в ковше, применяют так же эллектрошлаковый переплав. В некоторых случаях проводят вакумнодуговой и выплавку вакуумных индукционных печах. Применение рафинирования снижает загрязненность стали. Данные методы выплавки повышают ударную вязкость и трещиностойкость, сто объясняется повышением чистоты стали. Порог хладноломкости в результате рафинирования в стали меняется мало, снижается анизотропия свойств пластичности и вязкости.

Страницы: 1, 2