Разрушение. Движение и распространение трещин

     Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

Тульского государственного университета 
 

Кафедра физики 
 

Курсовая  работа по теме: «Разрушение. Движение и распространение трещин». 
 
 

Выполнила студентка 

Проверил  Троицкий И.В. 
 
 
 
 
 

Тула 2011г. 

Содержание  Введение……....……………………………………………………...……………3

1. Скол……………………………………………………………………………...4

2. Вязкое разрушение………………………………………………...…………...6

3. Движение и развитие трещин……………………………………………...…..9

Заключение…………………………………………………………….…………17

Список  литературы………………………………………………………………18

 

     Введение 

     При испытании на растяжение очень пластичного  металла в средней части образца  происходит локальное поперечное сужение; в конце концов образец разрушается, причем относительная величина сужения  поперечного сечения приближается к 100%. Такой тип нарушения сплошности известен под названием вязкого  разрушения. Мы рассмотрим механизм этого  процесса и укажем факторы, определяющие величину сужения поперечного сечения  вплоть до разрушения. С другой стороны, для многих твердых тел, в особенности  металлов с объемно-центрированной кубической решеткой и ионных кристаллов, при низких температурах характерно хрупкое разрушение. Такому типу разрушения, называемому также сколом, чаще всего предшествует очень небольшая пластическая деформация, трещина быстро распространяется вдоль кристаллографических плоскостей, характеризуемых малой поверхностной энергией.

     Из  других важных типов разрушения следует отметить межзеренное разрушение при ползучести. Наконец, возможен еще один тип разрушения, имеющий практическое значение, - межзеренное хрупкое разрушение, которое, подобно сколу, наблюдается при низких температурах и является результатом хрупкости межзеренной фазы или наличия сегрегаций атомов растворенного вещества, располагающихся по границам зерен.

     В данной работе рассмотрели различные виды разрушения, а также движение и развитие образовавшихся трещин.

 

     1. Скол

      Скол  – разновидность хрупкого разрушения. Скол увидели при разрешении до отдельного атома в автоионном микроскопе: расщепляя вольфрамовые иглы (не толще 0,26 мкм) электростатическим полем при температуре жидкого азота, наблюдали перемещение берегов трещины с ростом напряжения (И. Михайловский, 1981 год). При неожиданном, но очевидном результате: по мере разгрузки трещина закрывалась и восстанавливалась вполне совершенная решетка - в таких масштабах скол обратим! Обратимый скол получали и в больших масштабах: удавалось крупинкой металла с космической скоростью прострелить толстый монокристалл так, что в нем не оставалось не только отверстия, но и вообще никаких микроскопических следов. Металл под крупинкой раскалывался крест-накрест и раздвигался упруго, а затем вновь смыкался. Восстановлению совершенной решетки должны бы помешать и пластическая деформация раскрытия, и адсорбция газа на новой поверхности, но все происходило так быстро, что молекулы газа не успели долететь, а дислокации - сдвинуться с места.

     Для зарождения известен соответствующий  концентратор напряжений - серия дислокаций, скопившихся у жесткого барьера (например, инородного включения: карбида  или оксида). В поле дислокации "сверху", со стороны лишней полуплоскости, - сжатие, а "снизу" (где полуплоскости  не хватает) - растяжение. Внешние макронапряжения  умножаются у вершины серии пропорционально  числу дислокаций в ней - в 10-100 раз, и сближение дислокаций приводит в конце концов к раскрытию "щели" со стороны растяжения (рис. 1, а). Далее при движении напряжение поднимает до теоретического порога сама "атомно-острая" трещина скола - тоже сильнейший концентратор напряжения.

     Необратимо  останавливает трещину пластический сдвиг у ее вершины (рис. 1, б ): если напряжение достаточно для зарождения дислокаций от ее поверхности, то сдвиг раскрывает (и тем самым притупляет) трещину. Тупая трещина останавливается. Действительно, электронная микроскопия находит у места остановки трещины скола серии дислокаций, привязанные к ее вершине. Испускание дислокаций останавливает трещину, и обратного хода теперь нет [1].

     

     Рис.1. Критические события: рождение скола  от серии дислокаций у препятствия (а) и его остановка от испускания дислокаций из вершины трещины (б). [1]

     Но  тогда, пока трещина движется, она  не должна бы испускать дислокации, а тем не менее работа скола существенно больше, чем работа разрыва атомных связей, и зависит, например, от температуры. Многочисленные гипотезы отсеяло прямое наблюдение скола. Покрыв лаком поверхность скола и утонив электролитически металл с изнанки, авторы эксперимента смогли рассматривать в электронном микроскопе одновременно и поверхность излома и дислокационную структуру под ней. Оказалось, что зеркально гладкий при низких температурах скол монокристалла молибдена на самом деле правильная лестница. Ее ступеньки (высотой 10-20 нм) перпендикулярны фронту трещины - это следы скольжения, а правильные ряды создавших их дислокаций видны на глубине 2-20 мкм под поверхностью скола. Эти дислокации не испускаются по мере движения - они увлекаются (удлиняясь вслед за фронтом) от места рождения трещины.

     Движущиеся  дислокации самопроизвольно упорядочиваются  так, чтобы при данной скорости трещины  затраты энергии были наименьшие (принцип Онзагера в термодинамике  необратимых процессов). Правильная система ступенек и дислокаций под  ними - типичная диссипативная структура [2]. Подобные упорядоченные структуры возникают в открытой термодинамической системе (с постоянной накачкой энергии извне) при большом (закритическом) отклонении ее от равновесия. Каждый видел такие структуры: это барашки облаков или, например, рисунок из туманных шестиугольников на поверхности очень горячего чая (ячейки Бенара - следы упорядочения вихрей воды, когда она, остывая у поверхности, опускается в глубь стакана).

     Шаг и высота ступенек, глубина проникновения  дислокаций от них (и как следствие  работа их движения - главная теперь часть работы скола) в конечном счете  определены одним лишь параметром - сопротивлением совершенной решетки  движению дислокаций (силой Пайерлса) [3]. По мере того как с нагревом сопротивление Пайерлса падает, глубина слоя пластического течения под трещиной растет. Соответственно растет и работа скола.

     Скол  невозможен, если сопротивление материала  пластической деформации настолько  низкое (а зона течения у поверхности  скола настолько большая), что  затраты на распространение скола  окажутся больше поступающей энергии. Материал течет, не разрушаясь, если напряжение столь низкое, что зарождение скола  невозможно. 

2. Вязкое разрушение

  Зарождение скола в естественных условиях требует движения дислокаций, то есть пластической деформации (хотя бы малой и местной). Всякое, стало быть, разрушение (не только вязкое) - следствие некоторой пластической деформации. Разница лишь в ее величине: хрупкое разрушение может наступить и после растяжения образца на 0,01-0,1%, а вязкое - на 50% и более. Естественно, механизмы и работа разрушения здесь разные.

       Для однородной по объему образца  пластической деформации всегда  есть предел, после которого она  становится неустойчивой - локализуется (в шейке, в полосе среза  и т. п.), прекращаясь в остальном  объеме. Так, растяжение проволоки  устойчиво, пока случайные местные  утонения останавливаются местным  же упрочнением тонкого сечения.  Когда же это упрочнение окажется  недостаточным, местное утонение  усиливается - появляется шейка,  где течение локализуется.

       Критерий неустойчивости нагляднее  всего в "истинных" координатах:  напряжение s = Р / S истинное, если силу Р относят не к начальной S₀ , а к текущей площади сечения S ; деформация j истинная, если приращение длины образца dL отнесено не к начальной L₀ , а к текущей длине L, так что dj = dL / L. В этих координатах диаграмма пластической деформации обычно степенного вида: s = S₀jn, n < 1.

       Течение становится неустойчивым, если растяжение может продолжаться  без прироста силы Р = s*S, где s – напряжение. Приращение силы dP = s dS + S ds; и из условия неустойчивости dP < 0 следует s > (- S ds / dS). Пластическая деформация не изменяет объем V = LS, так что из dV = 0 следует L dS = -S dL, то есть dS/S = = -dL/L = - dj. Тогда из dР < 0 вытекает условие неустойчивости ds / dj < s. Продифференцировав s = s0jn по j и приравняв s и его производную, получим критическую деформацию для потери устойчивости j_кр = n, а из нее и критическое напряжение s_кр = S₀nn. При s_кр (j_кр) равномерное растяжение прекращается и далее лишь развивается (утоняется) шейка.

       Шейка должна бы неограниченно  сужаться в точку (рис. 2, а), где образец разделится на две части без образования собственно излома (новая поверхность создается, но она рассредоточена в виде следов многих сдвигов на боковой поверхности шейки, рис. 2, в). Но обычно развитие шейки после некоторого сужения прекращается, а поперек нее проходит вязкий излом (рис. 2, б ).

     

     Рис. 2. Идеальное (а) и реальное (б) вязкое разрушение с образованием шейки  при растяжении; (в) и (г) – соответствующее  строение новой поверхности. [1] 

     Модель  тем не менее была правильна. Удалось  наконец получить на образце высокочистого  алюминия сужение в шейке до 100% - "в точку" (по рис. 2, а). Образец тихо разделился на два, а поверхности излома как таковой не было. Но чтобы достичь необходимой чистоты, понадобилась бестигельная плавка (шар жидкого металла греется токами индукции в высокочастотном электромагнитном поле, вися при этом в постоянном магнитном поле и не касаясь ничего, чтобы не набраться кислорода от огнеупоров тигля), и все это в глубоком безмасляном вакууме (электромагнитная откачка ионизированного газа исключила загрязнение металла углеродом и водородом от разложения паров масла из пароструйного насоса).

       Так убедились, что естественный  вязкий излом поперек шейки  даже в "очень чистом" металле  - результат присутствия неких  инородных включений в нем  (обычно 0,1-0,01% оксидов, нитридов, силикатов,  сульфидов в виде частиц размером 0,1-1 мкм). Только возле них как  жестких (недеформируемых) барьеров  можно накопить серии дислокаций, достаточные для зарождения скола,  и только эти частицы могут  скалываться (либо отслаиваться  от металла - скол по поверхности  раздела фаз).

       Металл же при таком напряжении  скалываться еще не может - он течет около включения, образуя  полость-пору, которая по мере  последующей деформации вытягивается. После скола множества включений  перемычки меж соседними порами  в конце концов сужаются ("в  нож", как плоская шейка), и поры  сливаются, образуя ямочный излом. В нем каждая ямка (диаметром 0,3-3 мкм) имеет на дне либо инородное включение, либо след - углубление от него.

     Работу  разрушения задают при этом по крайней  мере два параметра: напряжение массового  рождения пор на включениях и деформация до их слияния. То и другое как-то определяют инородные включения. Они трудно измеримы (потому что их мало) и трудно контролируемы в технологии (потому что примеси неизбежны по способу получения материала). Отсюда и многообразие трудностей - но и средств - управления пластичностью (достижимой деформацией) и вязкостью (работой разрушения) сплавов. Но сплав без достаточного запаса пластичности (и в обработке, и в эксплуатации) вообще не нужен - прочность без пластичности обеспечит и камень. [4] 

3. Движение  и развитие трещин

 

      Разрушение  сколом

     Термин  «вязкость» служит для обозначения  способности материала испытывать пластические деформации и поглощать  энергию до и во время разрушения. Термины «хрупкий» и «пластический» используются для различения типов разрушений или материалов, характеризуемых слабой или сильной вязкостью. Разрушение сколом — наиболее хрупкая форма разрушения, которое может произойти в кристаллических материалах. При низких температурах и больших степенях деформирования вероятность наступления хрупкого разрушения увеличивается, как это проиллюстрировано на известной диаграмме вязкохрупкого перехода в стали (рис. 3.1). Ниже уровня перехода для разрушения требуется лишь небольшая энергия, при этом сталь ведет себя как хрупкий материал.