3.2. Механизм разрушения металлов

Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация. Хрупкое и вязкое разрушения сильно различаются по скорости развития процесса разрушения: скорость развития хрупкого разрушения очень велика, а скорость развития вязкого разрушения мала, так как последнее сопровождается значительной пластической деформацией, протекающей относительно медленно. Что касается причины разрушения, то в обоих случаях это нормальные растягивающие напряжения, которые, достигнув значения теоретической прочности (сил связи между атомами), приводят к разделению материала на части.

Установлено, что причиной образования зародышевых трещин в кристаллах может быть перемещение дислокаций при нагружении материала. Если материал пластичен, то превышение определенного уровня напряжения приводит в движение дислокации, которые скапливаются у каких-то непреодолимых для них препятствий (включений, границ зерен и др.) (рис. 3.6).

При большом скоплении дислокаций зоны деформации вообще становятся неспособными к пластическому деформированию, и дальнейший рост напряжений  ведет в этом месте к образованию микротрещин.

В реальных условиях при нагружении металла трещина опасного размера, которая может привести к хрупкому разрушению, образуется при скоплении приблизительно ста дислокаций. В реальном металле всегда имеются готовые дефекты, в том числе трещины, которые могут быть очагом распространения хрупкого разрушения, если концентрация напряжения в материале около края трещины достигнет значения сил связи между атомами. Таким образом, разрушение происходит путем образования трещины и ее роста до критической величины (критическая трещина характеризуется тем, что в ее устье напряжение достигает значения теоретической прочности).

От металла, как конструкционного материала, требуется не только высокое сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.

Обычно сопротивление деформации объединяют в общее понятие «прочность», а сопротивление разрушению – «надежность». Если разрушение происходит не за один, а за многие акты нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует долговечность материала. Очевидно, высококачественный конструкционный материал должен быть одновременно прочным, надежным и долговечным.

Для хрупкого разрушения типична острая (рис. 3.7, а), часто ветвящаяся трещина, большая скорость ее распространения (примерно 0,1 – 0,7 от скорости звука) и отсутствие пластической деформации при ее распространении. Трещина движется за счет накопленной упругой энергии.

Для вязкого разрушения характерна тупая, раскрывающаяся трещина (рис. 3.7, б), малая скорость ее распространения и значительная пластическая деформация металла при ее продвижении. Вид разрушения, вязкий или хрупкий, определяют в результате изучения изломов (фрактографией).

На рис. 3.5 были показаны два вида излома – вязкий «волокнистый» и хрупкий «кристаллический». Первый вид излома свидетельствует, что для разрушения требовалась определенная работа и металл имеет хорошие свойства; второй – что само разрушение произошло почти мгновенно без затраты большой работы и металл ненадежный.

При электронно-микроскопическом исследовании вязкое разрушение характеризуется ямочным строением излома (рис. 3.8). Ямки в изломе – результат пластической деформации, вызванной движением тупой трещины. Хрупкое разрушение характеризуется ручьистым изломом. Плоские фасетки указывают на отрыв одной части кристалла от другой.

В действительности в металлах не бывает ни чисто вязкого, ни чисто хрупкого разрушения. В первом можно найти следы хрупкости (вязкое разрушение происходит путем образования пор, перемычки же между ними могут разрушаться путем отрыва, т.е. хрупко, рис. 3.8, б) а во втором – следы пластической деформации, т.е. перескок с одной на другую плоскость (рис. 3.8, а). Поэтому когда говорят о вязком или хрупком разрушении металла, это значит, что явно превалирует один из описанных механизмов.

Вид разрушения зависит от многих факторов: состава металла, его структурного состояния, условий нагружения и особенно от температуры.