Вера Семёновна Иванова
РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
*** 1979 ***
| ПРЕДИСЛОВИЕ
Намеченные XXV съездом КПСС перспективы развития ведущих отраслей техники требуют дальнейшего повышения качества металла и разработки новых конструкционных материалов. Решение этих задач, способствующих повышению на-лежпости и долговечности деталей машин и конструкций, неразрывно связано с решением проблемы разрушения металлов. Эта проблема в последние десятилетия решалась с позиций физико-химии и механики разрушения, а также металловедения. Изучение процессов разрушения с помощью ЭВМ стимулировало разработку математических моделей процесса. Качественный скачок в решении проблемы разрушения был достигнут в результате достижений в теории дислокаций и новых подходов в линейной механике разрушения, получивших развитие в последние десятилетия. Плодотворное развитие физики твердого тела привело к дислокационным моделям зарождения и распространения трещин, а достижения механики разрушения позволили описать поле напряжений у вершины распространяющейся трещины с помощью параметра К — коэффициента интенсивности напряжения у вершины трещины. Это позволило разработать новые критерии, характеризующие предельное состояние материала, использование которых дает возможность более обоснованно осуществлять выбор конструкционных материалов применительно к заданным служебным условиям. Достижения в этой области неоднократно обсуждались на конференциях и международных симпозиумах, среди которых следует отметить IV Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике, конференции по разрушению, прочности и механическим свойствам и др. Различные подходы к решению проблемы разрушения материалов нашли обобщение в ряде монографий и се-митомной энциклопедии, вышедшей в США под редакцией Г. Либовица (переведена на русский язык). В задачу автора входило обобщение некоторых, выполненных в последние годы (главным образом, отече-<*тиoттныx)', исследований разрушения металлов при циклическом. динамическом и статическом видах нагружении с позиций микро- и макромеханики разрушения и с vmhtom эволюции тонкой структуры металлов, определяющей такие процессы, как ползучесть, усталость, хрупкость и т. п. Естественно, ограниченность объема книги не позволила включить в рассмотрение такие актуальные проблемы, как управление разрушением; управление дислокационной структурой металлов и сплавов, обеспечивающей оптимальное сочетание механических свойств при данных условиях нагружения; создание инженерных методов расчета на прочность и другие, нашедшие отражение в ряде монографий и сборниках. В основу данного обобщения автор положил идею А. В. Степанова о взаимосвязи процессов пластической деформации и разрушения. Это позволило с единых позиций рассмотреть имеющиеся экспериментальные данные по физике и механике разрушения материалов на основе дислокационной теории и линейной механики разрушения. Автор сознает, что ввиду сложности вопроса предлагаемый читателю обзор, являющийся к тому же первой попыткой такого обобщения, не лишен недостатков. Все замечания автор примет с признательностью. Кроме того, ряд очень важных исследований остался не рассмотренным в рамках данной монографии. Это не означает, что автор их недооценивает. Во многих случаях работы не были рассмотрены из-за того, что они требуют самостоятельного анализа. В заключение выражаю большую признательность редактору книги проф. докт. техн. наук М. JI. Бернштейну, рецензенту проф. докт. техн. наук В. М. Финкелю за ценные замечания при рецензировании книги, а также проф. докт. физ.-мат. наук В. И. Владимирову и сотрудникам лаборатории прочности металлических материалов Института металлургии им. А. А. Байкова АН СССР кандидатам технических наук старшим научным сотрудникам Л. Р. Ботвиной, В. Н. Геминову, С. Е. Гуревичу, В. А. Ермишкину, И. М. Копьеву, Л. И. Маслову, В. Ф. Терентьеву, 3. Г. Фридману, принявшим участие в обсуждении отдельных глав книги. Автор также благодарен В. А. Горицкому, И. С. Когану, В. А. Кобзеву, Е. Г. Смирнову и А. А. Шанявскому за представленные микрофотографии. Глава I ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ В настоящее время еще нет стройной классификации видов разрушения, что обусловило большое число названий для одного и того же типа разрушения, базирующихся на различных признаках. Так, если при определении характера разрушения выделяется степень пластичности, реализованная к моменту разрушения, то разрушение разделяют на хрупкое, ювазихрупкое и вязкое; если же разрушение связывают с условиями нагружения, то подразумевают усталостное разрушение, разрушение при ползучести и т. п.; если выделяют структурный фактор, то различают внутризеренное (транскристаллитное), межзеренное (интеркристаллитное) или смешанное разрушение; если разрушение связывают с напряженным состоянием, то имеют в виду разрушение отрывом и разрушение сдвигам; наконец, если хотят сказать о кинетике процесса, то различают стабильное (задержанное) и нестабильное разрушение. Этот перечень далеко не исчерпывает имеющихся названий типов разрушения. Трудности классификации видов излома связаны с неопределенностью признаков, по которым следует проводить эту классификацию. В этой главе, на основе концепции А. В. Степанова о взаимосвязи процессов пластической деформации и разрушения, дана классификация изломов при различных видах нагружения с учетом фрактографических особенностей микрорельефа поверхности. Также рассмотрены современные модели и теории зарождения и распространения трещин при различных условиях нагружения. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ Многие исследователи считают, что нет принципиальной разницы между хрупким и вязким разрушением и деление разрушения на «хрупкое» и «вязкое» является условным, но необходимым с практической точки зрения. Действительно, высказанная в 1935 г. А. В. Степановым [34] мысль о том, что любое разрушение связано с пластической деформацией, многократно подтверждена экспериментально. Какой же из двух процессов определяет разрушение — пластическая деформация или собственно разрыв межатомных связей. По этому вопросу мп последние годы были высказаны различные точки прения. В соответствии с кинетической концепцией С. Н. Жур процессом, ответственным за временную зависимость прочности, является разрушение, связанное с ТРрмофлуктуационным разрывом межатомных связей. положение привело к анализу прочности твердых тел с позиции термофлуктуационного разрушения межатомных связей [36]. В противоположность этому в ряде работ высказана точка зрения, в соответствии с которой пластическая деформация контролирует разрушение, что и обусловливает временную зависимость прочности твердых тел. В. Д. Ярошевич и Д. Г. Рывкина [37]’ считают, что пластической деформации принадлежит ведущая роль как в случае вязкого, так и в случае хрупкого разрушения, так как оба вида разрушения различаются только по степени локализации пластической деформации. Вязкое разрушение характеризуется локализацией пластической деформации после значительной равномерной деформации, а хрупкое — локализацией деформации на ранней стадии деформирования или в пределах деформации Людерса. Чем больше k и чем ниже скорость его изменения с деформацией, тем больше запас пластичности, т. е. тем большая деформация еР накапливается к моменту образования шейки. Если уже в начале деформации, то образец разрушается в отсутствие равномерной деформации (еР = 0); таким образом, повышение k ведет к пластифицированию, а понижение — к охрупчиванию. Квазихрупкое разрушение авторы работы [37] относят к условию, когда eP = es, где es — деформация Людерса, а критическую температуру хрупкости, соответствующую переходу от хрупкого разрушения к вязкому, — к температуре, при которой предел текучести становится равным коэффициенту деформационного упрочнения. Анализируя данные по хрупкому и вязкому разрушению, авторы работы {37] пришли к выводу, что между вязким и хрупким разрушением нет принципиальных физических различий, так как они обусловлены локализацией пластической деформации с той лишь разницей, что при вязком разрушении локализация пластической деформации начинается после развития равномерной деформации, а при хрупком разрушении она возникает в отсутствие равномерной деформации. Также было сделано заключение, что при хрупком и вязком разрушении ведущая роль принадлежит пластической деформации. Однако в этом очень интересном анализе разрушения не оговорено, к какой стадии (стабильного или нестабильного) разрушения относятся сделанные выводы, поскольку, как известно, степень локализации пластической деформации зависит от кинетики процесса разрушения. А. Е. Голотин, JI. С. Мороз и В. В. Новожилов [38] считают, что подтверждением ведущей роли пластической деформации в разрушении является временная зависимость прочности, обусловленная термически активируемым движением дефектов кристаллической решетки. Поэтому долговечность металлов и сплавов должна зависеть от величины пластичности в соответствии с соотношением Здесь т — время до разрушения; еср — средняя скорость пластической деформации; бр — максимальное относительное удлинение образца. В процессе растяжения до 6Р реализуются следующие стадии [38]: 1) накопление дефектов на микроскопическом уровне; 2) переход через критическое состояние (потеря устойчивости системы микродефектов); 3) образование магистральной трещины, распространение которой приводит к завершению процесса. Таким образом, в данном анализе ведущая, роль пластической деформации признается и на завершающей стадии разрушения. Иной точки зрения придерживается В. М. Финкель [39]. Он считает, что из концепции А. В. Степанова был сделан неправомерный вывод о безусловной применимости этого положения к процессу распространения трещины. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ |
