Введение

Одним из недостатков механики разрушения является отсутствие надежного критерия разрушения. Прикладная механика может достаточно верно описать напряжения и деформации в окрестности выемки или вершины трещины. Условия, при которых эти напряжении и деформации приведут к распространению трещины, полностью еще не выяснены. Предполагается, что распространение трещины имеет место, когда напряжения при вершине трещины превышают критическую величину. Было предпринято несколько попыток (см. [1, 2, 3]) использовать в качестве критерия разрушения либо деформации, либо средние напряжения, либо деформации на некотором расстоянии перед трещиной. В последние годы часто стал использоваться критерий критического раскрытия. Но все эти критерии не имеют серьезного физического обоснования, хотя и могут быть весьма полезны и некоторых приложениях.

Критерий разрушения должен быть основан на физических моделях, которые можно построить, лишь зная механизмы разрушения. Для критерия, основанного на балансе энергии, модель не нужна, но энергетическое условие предполагает возможность роста трещины. Будет ли расти трещина, зависит от состояния материала перед вершиной трещины, который при действующих напряжениях и деформациях должен быть на грани разрушения. Исследование механизмов разрушения необходимо для понимания процессов разрушения. Это исследование, как показано на рис. 1.2, являясь существенной частью механики разрушения, связано с изучением процессов разрушения на уровне атомов и дислокаций вплоть до кристаллических зерен и примесей.

Для получения более прочных материалов долгое время проводились исследования по изучению явлений текучести и ползучести, поскольку увеличение предела текучести обычно приводило к получению более прочного материала. В результате этой работы в данной области накоплены глубокие знания и сделано изрядное множество открытий. Изучением самих процессов разрушения в течение долгого времени пренебрегали. Появление механики разрушения стимулировало исследование разрушений. Были получены пригодные в качественном отношении знания о процессах разрушения, но количественно картина все еще далека от завершения, несмотря на некоторые многообещающие достижения. Из-за сложности задач в этой области в ближайшее время можно ожидать лишь скромных результатов.

В данной главе приведены некоторые элементарные сведения о различных механизмах разрушения, которые необходимы при изучении механики разрушения и для понимания основных идей. В § 2.2 и 2.3 рассмотрены два основных механизма разрушения — разрушение сколом и вязкое разрушение. Два следующих параграфа посвящены механизмам образования трещин, а именно: усталостному и коррозионному растрескиванию под напряжением, а также образованию трещин в присутствии водорода. Само по себе образование трещин редко приводит к разрушению. Когда трещина из-за усталости материала или из-за коррозии увеличивается до определенного размера, окончательное разрушение будет либо вязким, либо хрупким. Поскольку разрушение сколом обычно связано с малыми пластическими деформациями, его называют хрупким разрушением. Но термин «хрупкое разрушение» часто обобщают и применяют ко всем разрушениям с малыми пластическими деформациями, несмотря на то, что в своей завершающей стадии разрушение является вязким. Такая терминология может легко привести к путанице. Поэтому в книге разрушения будем обозначать на основе механизма окончательного отделения, т. е. либо вязким разрушением, либо разрушением сколом.

Исследования механизмов разрушения в значительной степени опираются на электронную микроскопию. Наука, связанная с описанием и объяснением процессов разрушения с помощью электронных микроскопов, называется электронной фрактографией. Нельзя сказать, чтобы применяемая здесь технология была широко известна, поэтому уместно дать ее краткое описание.

Электроны могут быть пропущены через слой материала толщиной лишь в несколько сотен или тысяч ангстрем. Поэтому с помощью электронной микроскопии в проходящем пучке исследовать разрушенную поверхность нельзя, а ее форму следует перенести на тонкую, прозрачную для электронов реплику. Наиболее широко используемая технология копирования (рис. 2.1) включает в качестве промежуточного этапа изготовление реплики из пластмассы. Пластмассу в жидкой форме помещают на разрушенную поверхность (рис. 2.1, а).

Рис. 2.1. Двухэтапное изготовление реплик для электронной фрактографии

Поверхность должна быть полностью освобождена от влаги, чтобы пластмасса могла заполнить самые маленькие выемки. После затвердения пластмассу отделяют от поверхности разрушения, помещают в вакуумную камеру и испарением двух угольных электродов наносят тонкий слои угля (рис. 2.1, б). Испарение некоторых тяжелых металлов, таких, как платина, оттеняет картину и увеличивает контраст. После этого пластмассу растворяют в ацетоне (рис. 2.1, в), а освобожденная угольная реплика наносится на медную сетку, которая поддерживает тонкую угольную пленку в микроскопе.

Из-за наличия множества мелких неровностей угольная реплика обладает определенной прочностью и жесткостью. Понять это помогает рис. 2.2, на котором одна и та же поверхность разрушения рассматривается под различными углами, что достигается поворотом образца в электронном микроскопе. Эта технология позволяет с помощью стереографических измерений (см. [4—8]) определить топографию поверхности разрушения.

Рис. 2.2. Две фрактограммы поверхности усталостной трещины в алюминиевом сплаве
а — угол поворота образца равен нулю;
б — угол поворота образца равен 33°

Чтобы придать реплике большую прочность, ее поддерживают опорной медной сеткой. При малом увеличении микроскопа становятся видны ячейки этой сетки (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Разрушение сколом стали. Размер внутренней части ячейки сетки составляет 80 мкм

Более подробное описание технологии изготовления реплик приводится в [9—14].

Изучение механизмов разрушения требует также исследования средствами электронной микроскопии структуры металлов. В этом случае металл должен быть сделан прозрачным для электронного пучка. Это достигается изготовлением из металла средствами технологии электрополировки чрезвычайно тонкой фольги (толщиной 500–1500 Å). При прохождении электронного пучка через металл в местах большой плотности энергия пучка уменьшается, поэтому маленькие частицы внутри фольги будут изображаться как темные области. В местах, где регулярная кристаллическая решетка нарушена, т. е. на границах дислокаций и зерен, электронный пучок отклоняется. Следовательно, на изображении дислокация будет представлена темной линией (рис. 2.4).

С появлением электронного микроскопа со сканирующим лучом появилась возможность наблюдать поверхность разрушения непосредственно, без реплик. Электронный луч высокой интенсивности сканирует по поверхности разрушения. Возбуждение этими первичными электронами приводит к испусканию с поверхности разрушения других электронов (вторичных). Эти вторичные электроны дают изображение поверхности разрыва, которое делается видимым с помощью катодно-лучевой электронной трубки, сканирование в которой производится так же, как и сканирование электронного луча. На рис. 2.5 показаны изображения одного и того же участка поверхности разрушения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (а) и микроскопа в проходящем пучке (б) с использованием угольной реплики.

Конечно, каждый из микроскопов имеет свои недостатки. Поскольку возникает сомнение относительно достоверности реплик, одним из наиболее важных достоинств сканирующего микроскопа является то, что он позволяет обходиться без реплик. Мейлард, Генри и Чемпижи [15] выполнили большую работу по сравнению изображений идентичных мест поверхностей разрушений различных типов, полученных с помощью обоих микроскопов. Из этих прекрасных микрофотографий видно, что изображения, полученные с одинаковых мест с помощью обоих микроскопов, согласуются друг с другом. К этому же заключению можно прийти, сравнив микрофотографии поверхностей разрушения (см. [16]), представленные на рис. 2.5. Изображения, полученные с помощью сканирующего микроскопа, имеют большую глубину, в то время как изображения, полученные с помощью микроскопа в проходящем пучке, более детальны. Более подробная информация о сканирующей электронной фрактографии приведена в [17—21].

Рис. 2.4. Электронная микрофотограмма сплава Al — Zn — Мg в проходящем пучке:
А — частицы; В - дислокации;
по линии С—С—С проходит граница кристаллического зерна [29] (по Пергамону)

Рис. 2.5. Электронные микрофотограммы одного и того же участка реплики.
Соответствующие точки обозначены одинаковыми буквами.
Вязкое разрушение сплава Al — Cu — Mg



§ 2.1. Введение  Следующая 
 
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line
Яндекс цитирования
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line