Вязкое разрушение

Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. Главными особенностями являются медленное развитие трещин и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины трещины. Поэтому вязкое разрушение - наименее опасный, можно сказать, желательный вид разрушения. Анализ вязкого разрушения позволяет, в частности, лучше понять механизм хрупкого разрушения и наметить меры его предотвращения. Вязкое разрушение важно при анализе поведения металлов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации, и разрушение, в том числе вязкое, недопустимо. Вязкое разрушение в зависимости от материала, геометрии образца, способа и условий нагружения развивается различными способами (рис. 4). Разрушение путем среза (рис. 4 а) часто наблюдается при растяжении монокристаллов таких металлов, как цинк, кадмий. Поверхность излома здесь имеет вид одностороннего клина. В этом случае говорят о разрушении чистым сдвигом, и объясняется оно продолжительной пластической деформацией базисным скольжением в нескольких достаточно удаленных друг от друга полосах. Окончательное разрушение происходит в результате разрыва по плоскости скольжения.

Рис 4. Формы излома образцов при вязком разрушении после растяжения

При растяжении плоских образцов из малопластичных металлов и сплавов, например высокоуглеродистой стали, также часто наблюдается разрушение путем среза. У чистых монокристаллов (медь, серебро) образующаяся при растяжении шейка сужается до острия в цилиндрическом или лезвия в плоском образце (рис. 4 б, в). Волокнистое разрушение (рис. 4 г) характерно для многих пластичных сплавов, например латуни, в структуре которых имеются грубые частицы избыточных фаз. Трещины здесь развиваются по межфазной поверхности или по телу частиц, обычно более хрупких, чем матрица. Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование «чашечного» излома в шейке растягиваемого образца (рис. 4 д). Шейка возникает после не которого равномерного Удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном объеме. Внутри шейки схема напряженного состояния усложняется по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин.

Возможно также появление первых трещин внутри хрупких включений, которые разрушаются раньше, чем образуются достаточно мощные дислокационные скопления в матрице. Возникшие несплошности под действием напряжений начинают постепенно расти и по достижении микронных размеров уже легко выявляются при металлографическом анализе (рис. 5). На начальной стадии вязкого разрушения типичным является наличие множества мелких трещин (пор). По мере растяжения эти мелкие поры сливаются с образованием более крупных, и в конце концов в центре шейки образуется сплошная трещина. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор.

Pис. 5. Поры и образование центральной трещины в шейке растягиваемого медного образца

Если составить две половины образца после разрушения, то части полностью не совпадут. Отсюда следует, что конические поверхности не просто скользят друг относительно друга под действием касательных напряжений, но и несколько расходятся под действием растягивающих. На всех этапах развитие вязких трещин сопровождается сильной пластической деформацией, которая и контролирует скорость вязкого разрущения.

Поскольку зарождение трещин при вязком разрушении металлических материалов чаще всего происходит у включений избыточных фаз, величина пластической деформации перед разрушением сильно зависит от их количества. Таким образом, уменьшение числа таких частиц - один из эффективных методов задержки вязкого разрушения.

Важной особенностью вязкого разрушения является образование и рост множества микротрещин, некоторые из которых сливаются друг с другом. Вязкое разрушение бывает, как правило, внутризеренным даже если трещина зарождается у границы зерна, при дальнейшем росте траектория ее движения проходит по телу кристаллита.

Рассмотренные особенности вязкого разрушения отражаются на структуре поверхности разрушения. При визуальном осмотре невооруженным глазом она обычно матовая, неровная, часто со следами пластической деформаuии в виде грубых полос скольжения. Тонкую структуру излома выявляют с помощью фрактографического анализа - исследования структуры поверхности разрушения в световом и просвечивающем (при помощи реплик) или сканирующем электронном микроскопах. Фрактографический анализ, получивший широкое развитие в последние годы, дает важную информацию о механизме разрушения. На рис. 6 показаны типичные примеры микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных ямок. Диаметр их колеблется в диапазоне 0,5-20 мкм. Глубина ямок, характеризующая размеры области интенсивной пластической деформации, на вязком изломе в зоне макроотрыва может быть довольно велика (несколько микрометров). Ямки на поверхности вязкого излома являются результатом образования, роста и слияния множества микропор (трещин). На поверхности разрушенных перемычек, а также на дне некоторых пор часто видны линии скольжения, образовавшиеся при пластической деформации перед разрушением. На дне многих ямок выявляются частицы избыточных фаз (включения сульфидов на рис. 6 а), что как раз и служит доказательством возникновения большинства зародьiшевых трещин у этих включений.

Pис.6. Микроструктура пверхности вязкого излома: а - хромоникелевая сталь, реплика; 6- алюминиевый сплав, сканирующий электронный микроскоп.

На «стенках» чашечного излома наблюдаются сильно вытянутые ямки, а также области, не имеющие характерных особенностей структуры. Эти области также имеются на поверхности разрушения чистым сдвигом. Они являются результатом разрушения металла вдоль поверхности локализованной интенсивной пластической деформации скольжением. Общего количественного критерия вязкого разрушения не существует. Для ограниченного интервала условий таким критерием может служить величина либо деформации, либо минимального нормального или касательного напряжения, достаточного для развития вязкого разрушения.