Причины вязкого и хрупкого разрушения металлов и сплавов

№92-1,

технические науки

В статье рассматриваются результаты испытания на ударную вязкость стали, свинца и сплава Розе. Описываются причины хрупкости сплавов, стадии разрушения материалов, признаки хрупкого и вязкого разрушения металлов и сплавов.

Похожие материалы

Ударная вязкость материала измеряется в единицах работы (энергии), приходящейся на разрушение единицы объёма исследуемого образца. Ударная вязкость чистого металла или сплава во многом зависит от химического состава, термической обработки, и от других внутренних факторов. Вязкость также во многом зависит от условий, в которых работает материал (окружающей температуры, скорости нагружения, наличия или отсутствия концентраторов напряжения).

Высокое значение вязкости материала играет большую роль для деталей машин и механизмов, для стальных строительных конструкций, для штамповочного оборудования

В процессе эксплуатации делали станков, механизмов и машин подвержены действию вибрационных и знакопеременных (циклических) нагрузок, которые действуют резко и возрастают от нуля до своего максимального значения с большой скоростью. Под воздействием ударных нагрузок в теле деталей начинают зарождаться усталостные трещины. Затем усталостная трещина начинает распространяться в теле детали, снижая его механические свойства (прочность). В результате действия многократно повторяющихся ударных или знакопеременных нагрузок может привести и к полному разрушению детали. Известно, что для работы в таких условиях должны применяться материалы с большой ударной вязкостью. Это можно объяснить тем, что на распространение усталостной трещины в вязком материале — это весьма энергоемкий процесс. Например: оконное стекло это хрупкий материал, вязкость которого практически равна нулю, поэтому чтобы разрушить такой материал для распространения в нем трещины не требуется затрачивать много энергии. Стекло является аморфным телом с чрезвычайно высокой вязкостью при нормальных условиях. Но не стоит путать реологическую вязкость вещества с механической вязкостью. Стекло обладает физико-механическими свойствами твердого тела и свойствами сверхвязкой жидкости. Скорость распространения трещины в стекле весьма высока. И совершенно другая работа затрачивается на распространение трещины в вязком материале, например в низкоуглеродистой стали, куске меди и т.п. Причем количество стадий разрушения и для хрупкого и для вязкого материала одинаковое, но протекают они с различными скоростями. В любом случае процесс разрушения материала включает в себя три стадии: зарождение трещины, распространение трещины по сечению детали, окончательное разрушение.

Далее в статье рассмотрим результаты измерений ударной вязкости различных металлов и сплавов. Ударная вязкость характеризует надёжность материала при динамических нагрузках, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Эксперимент проводился на маятниковом копре КМ-5 по методу Шарпи — на ударный изгиб (см. рис. 1)

Данный метод позволяет определить способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявлять склонность металла к хрупкому разрушению при различных температурах.

Определение ударной вязкости материалов по методу Шарпи
Рисунок 1. Определение ударной вязкости материалов по методу Шарпи

На рисунке 2 представлены образцы из стали, свинца и сплава Розе изготовленные для проведения испытаний на ударную вязкость.

Образцы для испытания на ударный изгиб: а — сталь углеродистая обыкновенного качества Ст2; б — Свинец; в — Сплав Розе.
Рисунок 2. Образцы для испытания на ударный изгиб: а — сталь углеродистая обыкновенного качества Ст2; б — Свинец; в — Сплав Розе.

Площадь поперечного сечения образцов составляла 1 см2, длина образца 55 мм с концентратором напряжений U-образной формы по середине.

В результате проведенных экспериментов выяснилось, что при одинаковых условиях испытаний энергия, затрачиваемая на разрушение образцов из свинца, из стали и сплава Розе будут различны. Эти материалы по разному сопротивляются действию ударных нагрузок. Энергия, затраченная на разрушение образца из свинца в среднем составила W = 4,2 Дж, стали Ст 2 W = 12,2 Дж, сплава Розе W = 2,1 Дж. Соответственно ударная вязкость этих материалов составила KCUPb = 4,2 Дж/см2, KCUСт2 = 12,2 Дж/см2, KCUРозе = 2,1 Дж/см2. Для испытания не случайно по мимо стали выбраны свинец и сплав Розе (Pb-Sn-Bi). Дело в том, что сплав Розе на 25% состоит из свинца (Pb). Чистый свинец очень мягкий и пластичный металл, твердость свинца по Бринеллю составляет всего 3,2-8 НВ, а относительное удлинение 50-70%. Но при приготовлении сплава на основе свинца, олова и висмута механические свойства изменяются. Твердость сплава Розе по Бринеллю составляет 15,4 НВ, а относительное удлинение 40%. Можно сделать вывод, что пластичность, а следовательно и ударная вязкость сплава будет ниже, чем у компонентов его образующих. Приобретенную хрупкость сплава я могу объяснить следующим образом, во -первых, компоненты сплава Розе обладают разным типом кристаллических решеток: свинец (гранецентрированная кубическая), олово (тетрагональная), висмут (ромбоэдрическая). Во — вторых, атомные радиусы компонентов также различны: свинец — 175 пикометров, олово — 162 пикометров, висмут — 170 пикометров. Различия строения кристаллических решеток и атомных радиусов компонентов сплава Розе приводит к тому, что сила энергетических связей между разнородными атомами, меньше, чем между однородными. По этой причине и температура плавления сплава будет ниже, чем у компонентов его образующих. Для разрушения энергетических связей между атомами компонентов в сплаве не требуется высокая температура. Чтобы разрушить кристаллическую решетку т.е. расплавить, например свинец, его необходимо нагреть до температуры 327°С, температура плавления олова составляет 232°С, висмута 271°С. А вот сплав Розе будет плавиться уже при температуре всего 98°С. Такая температура плавления говорит о непрочности энергетических связей между атомами компонентов сплава.

Теперь вернемся к ударной вязкости стали Ст2. Как показал эксперимент, самым высоким значением вязкости из испытуемых образцов обладает низкоуглеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества Ст2. Для нее характерен механизм вязкого разрушения. Молот маятникового копра не смог полностью разрушить образец, хотя на образце был предусмотрен концентратор напряжений U-образной формы. На рисунке 3 изображен образец из стали Ст2, после испытаний. На рисунке хорошо видна трещина, которая берет свое начало от концентратора напряжений U-образной формы и распространяющаяся по сечению образца в противоположную сторону. Образец не был разрушен полностью, ввиду того, что для полного разрушения образца требуется большая механическая энергия. Данная энергия была затрачена не только на распространение трещины в сечении образца, но и на пластическую деформацию образца и нагревание в следствии пластической деформации. Высокая вязкость материала очень важна для строительных конструкций. Чем выше вязкость стальной конструкции, тем выше ее стойкость к циклическим нагрузкам (вибрациям, резонансным колебаниям), так как высоковязкий материал хорошо сопротивляется зарождению и распространению усталостных трещин. Поэтому низкоуглеродистые стали данного класса используются в строительстве для создания несущих каркасов мостов, сооружений и быстровозводимых зданий. Из стали Ст2 изготавливают неответственные детали, требующие повышенной пластичности, а также используют в малонагруженных элементах сварных конструкций, работающих при постояннодействующих нагрузках при положительных температурах. Поэтому чаще всего из данной стали изготавливают проволоку, гвозди, заклепки, ленты, трубы и мн. др.

Образец из стали Ст2 после эксперимента: 1 — образец; 2 — U-образный концентратор напряжений; 3 — трещина.
Рисунок 3. Образец из стали Ст2 после эксперимента: 1 — образец; 2 — U-образный концентратор напряжений; 3 — трещина.
Образец из сплава Розе (после разрушения)
Рисунок 4. Образец из сплава Розе (после разрушения)

А вот разрушение слава Розе происходит по хрупкому механизму см. рисунок 4. Для хрупкого разрушения материалов характерно: отсутствие зоны предварительной деформации образца при отрыве; образование острой, ветвящейся трещины; малой величины зоны пластической деформации в устье трещины; небольшой энергоёмкости разрушения, образование блестящей светлой поверхности излома, ручьистое строение поверхности излома. Энергоемкость разрушения такого сплава невысока, да и зона предварительной пластической деформации отсутствует.

Список литературы

  1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986. — 542 с.: ил.
  2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. — М.: Металлургия. 1979. — 495 с.
  3. Конструкционные материалы / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1990. — 687 с.
  4. Пучков П.В., Киселев В.В., Топоров А.В. Разрушение строительных металлоконструкций в условиях пожара.// Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. – 2010. - №3. – С. 29–32.