Вязкое разрушение

Образец из алюминиевого материала после вязкого разрушения в условиях растяжения

Диаграмма растяжения пластичного материала (конструкционной стали), завершающаяся вязким разрушением образца
1. Предел прочности
2. Предел текучести
3. Разрушение (вязкое)
4. Область деформационного укрепления
5. Область деформационного разупрочнения
A: Условное напряжение (F/A₀)
B: Истинное напряжение (F/A)

Схематическое изображение этапов вязкого разрушения в условиях чистого растяжения

Вя́зкое разруше́ние (англ. ductile fracture) — разрушение, сопровождающееся развитием пластических деформаций в материале.

Общие особенности

Изучение особенностей вязкого разрушения важно для анализа поведения металлов в условиях обработки давлением, где имеют место значительные пластические деформации, и разрушение, в частности вязкое, является недопустимым. Оно, как правило, бывает внутризёренным. Тонкую структуру излома изучают с помощью фрактографического анализа (исследование структуры поверхности разрушения в световом и электронном микроскопах), который даёт важную информацию о механизме разрушения.

Вязкое разрушение происходит обычно после значительной пластической деформации материала. Его главной особенностью является медленное развитие трещины и высокая энергоёмкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации в вершине трещины. В отличие от хрупкого разрушения, при вязком происходит зарождение и развитие большого количества субмикротрещин, некоторые из которых могут сливаться друг с другом, образуя одну большую магистральную трещину. Фрактографическая поверхность обычно является матовой, неровной, со следами пластической деформации в виде грубых полос. Рельеф поверхности имеет вид отдельных ямок диаметром 0,5...20 мкм и глубиной до нескольких микрометров. Ямки являются следствием возникновения, роста и слияния множества микропор. На дне ямок обнаруживаются частицы избыточных фаз.

Протекание процесса

Вязкое разрушение развивается постепенно в течение трёх стадий.

На первой стадии возникает большое количество пор в центральной части образца. При увеличении нагрузки поры вытягиваются вдоль направления действия растягивающего напряжения. Ослабленный порами материал разрушается, поры сливаются друг с другом, и возникает центральная трещина, перпендикулярная оси образца.

На второй стадии происходит распространение центральной трещины, то есть формирование дна чашки. Процесс происходит за счёт присоединения новых пустот вследствие повышенной концентрации напряжения у вершины трещины. Скорость этого процесса невелика.

Третья стадия, или формирование конической части излома. Трещина при этом достигает периферийных зон образца. Скорость её движения увеличивается в десятки раз, и меняется направление распространения. Процесс может происходить по двум вариантам:

1. Если количество дефектов с обеих сторон центральной трещины одинаково, то дальнейший рост трещины идёт под действием касательных напряжений (под углом 45°) и вследствие появления новых полос сдвига линия выходит на поверхность, и возникает излом в форме двойной чашки.
2. Если после начала формирования сдвига в периферийных областях шейки с одной стороны от центральной трещины появляются новые микротрещины, то дальнейшая деформация будет локализована именно в этих местах, и конечное разрушение произойдёт путём среза вдоль новообразованных трещин, и возникнет чашка с конусом.

Кроме рассмотренных случаев вязкого разрушения, возможно образование изломов другой формы, которые определяются геометрией образца, характером его деформации и степенью пластичности материала. Например, при растяжении цилиндрических образцов с высокой пластичностью, в частности сверхпластичных, относительное сужение близко к 100%, и шейка превращается в точку. В аналогичных плоских образцах шейка вырождается в линию, расположенную под углом ~ 45° к оси растяжения.

Разновидности

В зависимости от кристаллического строения материалов при вязком разрушении реализуются различные типы ямочного излома.

• В гексагональных плотноупакованных кристаллических решётках срез реализуется вследствие базисного скольжения. Поверхность имеет форму одностороннего клина. В кристаллах с гранецентрированной кубической решёткой (ГЦК) срез происходит после интенсивного скольжения с формированием грубых полос деформации.
• В материалах с объёмноцентрированной кубической решёткой (ОЦК) и ряде ГЦК материалов возможно формирование большой шейки. В высокопластичных материалах сужение составляет практически 100%.
• Если пластический образец с ГЦК решёткой плоский, то возможно формирование в зоне разрыва формы, напоминающей лезвие ножа.
• Если в материале присутствуют грубые частицы другой фазы, наблюдается волокнистый излом. Трещина развивается по межфазовой поверхности или по телу частиц, если они более хрупкие, чем матрица.
• Наиболее распространённым механизмом вязкого разрушения является «чашечный излом», который является результатом объединения в единую трещину большого количества микропор. Шейка образуется после некоторого равномерного удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном объёме. Внутри шейки напряжённое состояние является сложным по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин. Зародышевые трещины возникают и развиваются в средней части шейки. Происходит локализация напряжений, в результате изменяются скорость распространения трещины и направление её развития. Из-за локализации пластической деформации в плоскостях действия максимальных касательных напряжений дальнейшее разрушение идёт путём среза. В результате центральная часть трещины образует «дно», а периферийные — конические «стенки» чашки излома. Следовательно, значительная пластическая деформация не только предшествует вязкому разрушению, но и продолжается в процессе его развития.

Литература

• Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие: В 4-х т. /Под ред. В. В. Панасюка. — К.: Наукова думка, 1988. — т.1. — 488с.; 1988. — т.2. — 620 с.; 1988. — т. 3. — 436 с.; 1990. — т.4.- 680 с.
• Опір матеріалів. Підручник /Г. С. Писаренко, О. Л. Квітка, Е. С. Уманський. За ред. Г. С. Писаренка — К.: Вища школа, 1993. — 655 с. — ISBN 5-11-004083-4
• Нотт Дж. Основы механики разрушения. М: Металлургия, 1978. — 256 с.
• Механіка руйнування зварних конструкцій: Курс лекцій. Архивировано из первоисточника 8 грудня 2012. / Укладач: Ясній П. В. — Т.: ТДТУ, 2006. — 100 с.
• Хеллан К. Введение в механику разрушения. М: Мир, 1988. — 364 с.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Руниверсалис» («Руни», руни.рф) под названием «Вязкое разрушение», расположенная по адресу: — https://руни.рф/index.php/Вязкое_разрушение Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA. Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?».