Разрушение металла и факторы, влияющие на этот процесс

Как известно, разрушение металла обусловлено разрывом связей между атомами. При этом, согласно расчётам, теоретическая прочность металлов оказывается в сотни раз выше, чем их реальная прочность. Испытания показывают, что прочность металла, близкая к теоретической, может быть получена только в нитях диаметром 1 мкм. Увеличение диаметра испытуемого образца приводит к резкому снижению его прочности. Например, для железных нитей диаметром 1,6 и 15 мкм прочность соответственно равна 13 132 и 686 МПа.


Для образцов такого размера наблюдаемое снижение прочности, очевидно, связано в первую очередь с несовершенствами строения кристаллической решётки. Эти несовершенства, создавая геометрические и энергетические неравномерности, определяют основные механические свойства металлов.


Однако в реальных конструкциях, где используются металлические детали значительных габаритов, помимо несовершенств кристаллической решётки на прочность металла будут влиять и другие факторы. Вклад некоторых факторов в реальную прочность стали в какой-то мере может быть установлен из анализа выражения Холла— Петча:


Qt=Qi+Kyd-1/8


где Qt — предел текучести металла; Qi — напряжение трения; d — средний диаметр зерна или субзерна; Ку — константа зерно-граничного упрочнения.


Из уравнения следует, что прочность металла зависит от размера зерна и что чем меньше этот размер, тем выше прочность стали.


На изменение механических свойств металла значительное влияние оказывают легирующие добавки, которые независимо от того, растворяются они в решётке железа по принципу замещения или внедрения, повышают величину Qt а значит, и ат. Повышение значения Qi - вызывает и выделение дисперсных частиц. Однако в зависимости от типа выделяемых частиц, их размеров и расположения цепень этого влияния может быть различной. Об этом, в частности, свидетельствуют данные, приведённые в работе и представленные на рис 1


Неметаллические включения, поры и трещины, присутствующие в металле, могут заметно повлиять на прочность металла. Поскольку эти дефекты практически всегда находятся в металле, вопросы влияния их на его конструктивную прочность имеют большое значение.


Разрушение любого материала — сложный кинетический процесс, который состоит из нескольких чётко разделённых этапов: 1) зарождение трещины; 2) устойчивый рост её до достижения критической длины; 3) нестабильное (спонтанное) развитие трещины.
Поскольку процесс разрушения начинается с образования зародышевой трещины, наличие в металле трещин является фактором, предрасполагающим к разрушению. Однако не всякие трещины могут стать причиной разрушения. Так, по данным работы образцы из железа, в которых более 1 % зёрен были разрушены, с увеличением напряжения течение металла продолжалось обычным образом.

Рис. 1. Изменение предела текучести металла в зависимости от расстояния между дисперсными частицами:

1 — технически чистое железо; 2 — сталь.


 Изменение предела текучести металла в зависимости от расстояния между дисперсными частицами

Следовательно, наличие микротрещин, соизмеримых с размерами зерна, в этом случае не было достаточным для полного разрушения. Более того, для низкоуглеродистых сталей при работе изделия на растяжение неопасными являются трещины размером (2—2,5) • Ю-*3 м. Близкие к этим значения критической длины трещины получены экспериментально В. С. Ивановой с сотрудниками при изучении усталостного разрушения металла. Было установлено, что критическая длина усталостной трещины ls зависит от величины предела усталости стали gw и при изменении gw от 735 до 225 МПа значение ls соответственно изменяется от 0,9 до 2,5 • 10~3 м.


По данным, длина критической трещины уменьшается с увеличением степени легирования стали. Так, для чистого железа при значении жёсткости напряжённого состояния = 0,58 ls = 3 • Ю-3 м, а для стали с ав = 2156 МПа ls == 126 мкм. Размер опасного дефекта /с, определяемый для данного значения {Л/, из соотношения lQ = 0,11/S, будет равен для чистого железа 0,33 • 10~3 м, а для высокопрочной стали — 14 мкм.


Таким образом, не все трещины, возникающие в металле, могут вызвать разрушение, но чем выше прочность металла, тем меньше размеры допустимой трещины.


Появлению трещин в металле, а значит, и его разрушению могут способствовать неметаллические включения и поры, присутствующие в металле. Эти дефекты можно рассматривать как естественные структурные составляющие металла, характеризуемые весьма малой плотностью их распределения в объёма металла. В этом их принципиальное отличие от дисперсных частиц.


Разрушению всегда предшествует локальное пластическое течение металла, что приводит к возникновению основной доли концентрации напряжений, необходимых для образования и последующего роста трещины. При этом чем больше размер включения, тем больше и величина зоны пластической деформации (рис. 2).

Минимальный размер неметаллических включений, способных вызвать сосредоточенное пластическое течение, равен 1—5 мкм. Поэтому при статическом нагруженные в области умеренных деформаций неметаллические включения такого размера будут неопасны, так как они не могут привести к образованию трещин, поскольку не вызывают пластических деформаций. В таких условиях будут неопасны и более крупные включения, пока они не будут в состоянии трансформировать зону повышенной деформации в трещину, близкую по размерам к критической.


Довольно часто при изучении влияния неметаллических включений и пор на прочность металла эти дефекты рассматривают как концентраторы напряжений. Однако рассматривать поры и включения только как концентраторы напряжений и объяснять только этим влияние их на процесс формирования и развития разрушения, очевидно, не совсем верно. Об этом, в частности, свидетельствует несовпадение теоретических и экспериментальных данных по изучению влияния неметаллических включений на свойства стали.


Влияние неметаллических включений и пор более полно можно оценить на основе анализа напряжённого состояния, возникающего в прилегающей к ним области.


Согласно исследованиям, в области неметаллического включения вследствие различных значений коэффициентов термического расширения неметаллического включения и матрицы могут возникнуть терм структурные напряжения, достигающие значительной4 величины. Это может привести к образованию зон пред разрушения, где возникнет и будет развиваться разрушение даже без приложенной извне нагрузки.


Под нагрузкой в процессе деформации благодаря различию упругих и пластических свойств включения и матрицы (металла) на границе между ними может произойти разделение материала, и вблизи включения вытягивается полость, которая может перейти в трещину. Разрушение может начаться и с разрушения самого включения вследствие скопления около него дислокаций. О том, что на границе между металлом и неметаллическим включением в процессе кристаллизации возможно образование дислокационных источников, свидетельствуют данные работы, согласно которым вблизи включений существуют сдвиговые напряжения, достаточные для работы дислокационных источников.

 

Кроме того, в процессе охлаждения под действием термических напряжений возникают вакансионные потоки, направленные к неметаллическому включению. Это дало основание предположить, что влияние неметаллических включений, например на сопротивление усталости, связано с подпитыванием растущей трещины вакансиями из резервуара неметаллического включения. Однако с увеличением скорости охлаждения металла этот механизм, по-видимому, будет проявляться в меньшей мере.

Рис. 2. Зависимость величины зоны пластической деформации от размера неметаллических включений при о = 274 МПа:
j — СтЗ — оксидные включения: 2 — кремнистые железоснликатные включения.

Очевидно, что и при наличии в металле пор вокруг них также создаются значительные напряжения, поскольку давление газов в порах может достигать десятков и даже сотен атмосфер. Особенно значительными эти давления будут, если в металле присутствует водород.


Образование трещин во многом зависит и от состояния границ зёрен. Преимущественное выделение примесей на границах зёрен и изменение состава приграничных участков будут способствовать межселенному охрупчиванию и образованию микротрещин на границах между зёрнами. Кроме того, образованию трещин может способствовать сегрегация примеси на границах зёрен, приводящая или к локальному упрочнению, или к уменьшению эффективной поверхностной энергии.


Однако наличие границ между зёрнами может и затруднить распространение трещин, поскольку наличие межзеренных границ вызывает дополнительное рассеяние энергии при прохождении трещины. Это следует из сопоставления энергетических условий распространения трещины в монокристалле или поликристалле [1721, которые соответственно описываются следующими выражениями:


 Зависимость величины зоны пластической деформации от размера неметаллических включений при о = 274 МПа

где dU — работа внешних и внутренних напряжений, затраченная на увеличение длины трещины на dl\ dK — работа кинетической энергии; ст_г—свободная поверхностная энергия в плоскости раскрытия трещины.


Из сравнения выражений видно, что они отличаются слагаемым dW, которое представляет собой дополнительную энергию, расходуемую на переориентацию трещины, на зарождение на границах новых микротрещин и т. д. Вообще изменение направления роста трещины должно затруднить образование трещины, так как с увеличением длины трещины требуется больше энергии для её образования.


Нужно также отметить, что процесс роста трещины зависит от формы ее вершины: при остроугольной вершине трещина растёт быстрее, при закруглённой — рост трещины может остановиться и разрушения не произойдёт.


Затормозить рост трещины можно применением композитных материалов, электрических и магнитных полей, а также за счёт создания протяжённых полей сжатия.


Итак, наличие в металле трещин, пор, неметаллических включений снижает прочность металла. Между тем эти дефекты практически всегда присутствуют в металле шва, и зачастую причиной их появления является сварочный процесс.