Для студентів спеціальності 6.050403 «Прикладне матеріалознавство» всіх форм навчання
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Експертні дослідження” для студентів спеціальності 6.050403 “Прикладне матеріалознавство” всіх форм навчання /Укл.: В.С.Вініченко, О.В.Лисиця - Запоріжжя: ЗНТУ, 2012. – 82 с.
Укладачі: В.С. Вініченко, доцент, к.т.н. О.В.Лисиця, асистент
Рецензент: І.М. Лазечний, доцент, к.т.н.
Відповідальний за випуск: А.Д. Коваль, професор, д.т.н.
Затверджено на засіданні кафедри «Фізичного матеріалознавства» Протокол № 5 від 13.01.2012
ЗМІСТ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 Дослідження процесів руйнування кристалічних та аморфних матеріалів 6 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 Особливості поширення тріщин у кристалічних матеріалах при крихкому та в’язкому руйнуванні 18 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3 Дослідження причин зародження тріщин. Руйнування 31 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4 Приклад виконання експертної роботи на тему «Дослідження причин руйнування колінчатого валу тепловозу». 37 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5 Приклад виконання роботи на тему «Дослідження причин зниженої стійкості ливарних мульд». 46 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6 Провести експертизу причин руйнування робочої лопатки І ступені компресора ГТД.. 57 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7 Провести експертизу причин руйнування жарової труби авіаційного ГТД 66 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8 Провести експертизу причин руйнування робочої лопатки І ступені газової турбіни авіаційного ГТД.. 71 Додаток А Правила із техніки безпеки при виконанні лабораторних робіт 80 Вимоги безпеки перед початком роботи. 80 Вимоги безпеки під час виконання роботи. 81 Вимоги безпеки в термічній та препараторських лабораторіях. 81 Вимоги безпеки після закінчення роботи. 81 Вимоги безпеки в аварійних ситуаціях. 82
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ Вступ В сучасних економічних умовах на підприємствах приділяється увага зниженню витрат на виробництво продукції та її експлуатацію. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є повне використання ресурсу обладнання та виробів. У зв'язку з цим необхідно після певного періоду роботи проводити діагностику, наприклад, технологічного устаткування, тобто перевіряти його технічний стан, а у випадку виходу з ладу якої-небудь деталі встановлювати причини її поломки. Для вирішення вказаних питань необхідні фахівці високого рівня, яких на сьогодні недостатньо на виробництві. Тому на даний момент є актуальною дисципліна «Експертні дослідження», яка сприяє підвищенню кваліфікації вказаних спеціалістів. При вивченні даної дисципліни досліджуються причини та механізми розвитку пошкоджень, що приводять до повного або часткового руйнування елементів конструкції. Пошкодження можуть виникати з багатьох причин, наприклад, в результаті зносу або ерозії поверхні, спотворення форми, зниження твердості інструменту, втрати пружності пружини і ін. У зв’язку з цим для встановлення причин відмови та повернення системи до штатного режиму функціонування необхідне застосування комплексного підходу. Тобто об'єднуються зусилля різних фахівців: конструкторів, механіків, спеціалістів з тертя та зношування, автоматичного регулювання, неруйнівного контролю і матеріалознавства. При проведенні вказаних досліджень, зокрема спеціалісти з матеріалознавства з’ясовують: – раціональність вибору матеріалів для певних умов експлуатації; – відповідність хімічного складу застосовуваних матеріалів вимогам креслення; – якість проведення запланованих конструктором термічної, хіміко-термічної чи інших видів обробок. Для вирішення цих питань студенти при виконанні лабораторних робіт з дисципліни “Експертні дослідження ” повинні навчитися застосовувати набуті знання з фізико-механічних і експлуатаційних властивостей матеріалів, моделювання, діагностики та дефектоскопії, стандартизації та контролю якості продукції для встановлення причин передчасного руйнування чи виходу з ладу деталей, надавати рекомендації щодо усунення таких причин. Проведення матеріалознавчої частини експертних досліджень доцільно розділити на наступні етапи. 1. За допомогою довідників, монографій, підручників, досвіду реального виробництва охарактеризувати умови експлуатації виробу, оцінити середні та можливі максимальні напруження і деформації, що можуть виникати при виготовленні та експлуатації виробу, середовище (агресивне, підвищена або навпаки понижена температура), конструкцію, зокрема вказати місця розташування концентраторів напружень; 2. Описати хімічний склад матеріалу, з якого виготовлений даний виріб, його термічну обробку, структуру, властивості; дефекти в заготовках, які можуть з’явитись в процесі виготовлення та експлуатації виробу; 3. На основі аналізу попередньої інформації запропонувати гіпотези щодо можливих причин передчасного виходу виробу з ладу; 4. Для підтвердження висунутих гіпотез вибрати методики дослідження і моделювання (фізичного і, або математичного). Навести стандарти основних методик та детально описати нестандартні запропоновані методики проведення досліджень, моделювання і обробки отриманих результатів, навести ескізи зразків; 5. порівняти вимоги до матеріалу виробу, зокрема складу, структури, стану поверхні, властивостей зміцненого шару та серцевини з результатами досліджень. Дати пояснення змінам структури, властивостей, форми виробу, що досліджується. На основі результатів дослідження скласти експертне заключення щодо причин передчасного виходу з ладу даного виробу та запропонувати рекомендації з метою підвищення його ресурсу, наприклад, замінити матеріал на більш доцільний; удосконалити конструкцію; покращити умови експлуатації; застосувати більш сучасні технології, зокрема термічної обробки у вакуумі, лазерного поверхневого зміцнення, методи порошкової металургії тощо.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 Мета роботи: провести порівняльні дослідження структури, фізико-механічних властивостей крихких та пластичних матеріалів
1.1. Загальні положення Відомо, що для таких конструкцій як судна, мости, балони високого тиску, газопроводи, шлюзи, ємності для зберігання рідких газів існує небезпека руйнування, часто несподіваного. Інженерам потрібно було пройти довгий шлях, повний сумнівів і катастроф, щоб переконатися в корисності власних розрахунків на міцність. Разом з тим виявилося, що такий розрахунок, який може бути здійснений тільки на основі вивчення механізму зародження та розвитку процесу руйнування, може здешевити подібну конструкцію. Проте поки повністю не розкрита природа явища руйнування, проблему не можна вважати вирішеною, оскільки без знання основних закономірностей та причин руйнування не можна бути впевненим, що вжиті заходи оптимальні. Саме знання механізму та причин руйнування дає можливість створити умови, у яких вказаний процес буде неможливим.
1.1.1 Особливості руйнування твердих кристалічних тіл Питання руйнування твердих тіл пов'язано з однією з найважливіших проблем сучасного матеріалознавства - проблемою міцності. За характером деформування матеріалу в процесі руйнування умовно розділяють на крихке та в’язке. Руйнування називають крихким, якщо воно відбувається при переважно пружному деформуванні матеріалу, тобто при напруженнях, менших за умовну границі плинності. Як правило, крихке руйнування твердих тіл спостерігається при низьких температурах, високих швидкостях навантаження, багатоцикловій втомі. В’язким називають руйнування, що супроводжується розвитком помітних пластичних деформацій. Такий характер руйнування спостерігається при підвищеній температурі, високому зовнішньому тиску, малоцикловій втомі. У кожному випадку руйнування не є миттєвою критичною подією. Руйнування - це процес накопичення пошкоджень, що відбувається в часі і у просторі. Закінчується цей процес втратою несівної здатності через втрату суцільності. За характером активізації процесу у просторі руйнування підрозділяють на локалізовані та об'ємні. Локалізоване руйнування уявляє собою розвиток і поширення однієї або декількох макроскопічних тріщин. Руйнування внаслідок поширення тріщин характерно для великогабаритних деталей машин та елементів конструкцій, у матеріалі яких у вхідному стані є макроскопічні дефекти у вигляді тріщин. Об'ємне руйнування уявляє собою процес накопичення пошкоджень на мікро- і макрорівні рівномірно в усьому об'ємові матеріалу. Таким чином, об'ємне руйнування уявляє собою процес розпушення структури матеріалу. Саме такий характер руйнування спостерігали О. Я. Берг при стисканні бетону та П.В. Бріджмен при розтягуванні скла під тиском. Якщо навколо вершини тріщини утворюється значна зона пластично-деформованого матеріалу, таке руйнування називають в’язким. Для характеристики в’язкої тріщини розроблено математичний апарат нелінійної механіки руйнування. В області вершини крихкої тріщини матеріал перебуває практично в пружному стані або розмір пластичної зони настільки малий у порівнянні з розміром тріщини, що ним можна нехтувати. Для крихких тріщин справедливий математичний апарат лінійної механіки руйнування, заснований А. А. Гріффітсом в 1920р. Викладена вище класифікація відображає все-таки не процес руйнування, а явища, що передують розриву матеріалу. Тому така класифікація є умовною, на стільки, наскільки умовною є границя плинності та наскільки чутливими є засоби вимірювання пластичної деформації перед розривом. На практиці під крихким руйнуванням можна розуміти поділ матеріалу на окремі частини без помітної попередньої деформації. Сувора класифікація руйнування можлива тільки на основі фізичних параметрів процесу, пов'язаних з механізмом пошкодження в часі. Один і той же матеріал при різних умовах (температура, тиск, швидкість навантаження, вид напруженого стану та ін.) може руйнуватися в одних випадках крихко, а в інші – в'язко. Тому крихкість і пластичність - це не властивості матеріалу, а його стан. Поділ конструкційних матеріалів на крихкі та пластичні, що існує в інженерній термінології, є умовним і у першу чергу відображає механічні властивості цих матеріалів при невеликих швидкостях навантаження в нормальних умовах (при нормальному атмосферному тиску і при кімнатній температурі). Тверді тіла залежно від виду руйнування ділять на три групи: 1.Крихкі матеріали. Крихкими називають матеріали, які при навантаженні деформуються тільки пружно до руйнування. Не можна вказати точне максимальне значення деформації, що передує руйнуванню, але звичайно воно становить менше 1%. Зовсім крихкими в точному значенні цього слова є порівняно небагато металів. Проте крихке руйнування характерно для більшості керамічних і металокерамічних матеріалів, а так само проміжних з'єднань. Найбільш явною макроскопічною особливістю руйнування більшості звичайних крихких матеріалів, є швидке поширення тріщин у матеріалі. Однак ця особливість спостерігається не тільки в крихких матеріалах. 2. Пластичні матеріали.Руйнуванню пластичних матеріалів передує значна пластична деформація. Тріщину, що звичайно поширюється повільно, можна затримати зменшивши навантаження. Більшість металів, якщо вони досить чисті, відносяться до цієї групи. Форма зламу після руйнування може відрізнятися залежно від напруженого стану (частковий злам, зріз, скручування й ін.), але усі вони характеризуються деякою незворотньою пластичною деформацією. Наприклад, при - 272°С Al чистотою 99,994 % мас. має звуження 62 %, а при наявності 1% домішок його звуження не перевищує 30 %. 3. Напівкрихкі матеріали. В одних умовах руйнуються в основному крихко, в інших в’язко. Характер руйнування залежить звичайно від виду напруженого стану і таких важливих факторів, як температура та швидкість деформації. До напівкрихких матеріалів відносять метали з гексагональною і ОЦК ґратками. Поводження перших у значній мірі залежить від орієнтації, у поводженні останніх важливу роль виконують домішки. Зовсім пластичними можна вважати лише метали із ГЦК ґратками, але й серед них є виключення і їх пластичність залежить від концентрації домішок. Ознаки зламу крихкого і пластичного матеріалу наведено у таблиці 1.1. Таблиця 1.1 - Ознаки зламу крихкого і пластичного матеріалу
До основних факторів зовнішнього впливу варто віднести температуру, час, тиск, вид напруженого стану, середовище (контакт із хімічно активною речовиною, наявність радіаційного опромінення та ін.). На характеристики пластичності та міцності впливають також конструктивні та технологічні фактори, такі як розміри твердого тіла, легування, термообробка. Вплив конструктивних і технологічних факторів пов'язаний зі структурою матеріалу, тому пояснення характеру зміни механічних властивостей вимагає фізичного підходу до розглянутого питання. Такий підхід вперше був здійсненний академіком АН СССР Френкелем Я. І. (1894 - 1952). Ним була оцінена теоретична міцність кристала на зсув виходячи із простої моделі двох рядів атомів, що зміщуються один відносно одного під дією напружень зсуву. При цьому вийшло, що її значення становить При зниженні температури випробувань у таких матеріалах показник зміцнення або не змінюється, або зменшується, проте несуттєво. Незначне зниження показника зміцнення спостерігається також і у випадку підвищення границі плинності після термообробки. Температура, як правило впливає на величину границі плинності більш сильно ніж на границю міцності, тому при низьких температурах спостерігається перехід матеріалу із пластичного стану у крихкий. Першою демонстрацією такого переходу стала опублікована в 1924 р. схема А. Ф.Іоффе, отримана за результатами випробувань кристалів хлористого натрію. Схема Іоффе була підтверджена випробуваннями багатьох матеріалів. Температура, при якій границя плинності і границя міцності стають рівними, одержала назву температури крихкості Tкр. При цій температурі руйнування відбувається при відсутності макропластичних деформацій, а при температурі нижче температури крихкості стан плинності стає взагалі неможливим. Температура крихкості залежить від швидкості навантаження, часу та виду напруженого стану.
1.1.2 Особливості руйнування некристалічних матеріалів Некристалічні матеріали, зокрема скло, є абсолютно крихкими при нормальних температурах, а їх макроскопічне напруження руйнування значно менше розрахованого значення теоретичного напруження руйнування незважаючи на те, що в таких матеріалах не існує уявлень про дислокації. Це підтверджено результатами експериментів Гріффітса, який встановив, що теоретична міцність скла при кімнатній температурі становить Для пояснення даного факту Гріффітс вперше припустив, що розходження між границями міцності абсолютно крихкого твердого матеріалу та реального матеріалу обумовлене наявністю малих тріщин, які викликають концентрацію напружень, достатніх для локального перевищення теоретичної міцності. Так, якщо в тонкій пластині, підданій розтягуванню, є тріщина довжиною 2с у виді отвору (рис. 1.1) то у зв’язку з тим, що порожнина не може нести навантаження, поблизу неї відбувається перерозподіл напружень, Напруження всередині такої тріщини дорівнюють нулю, а на ділянках матеріалу біля її країв будуть напруження, значення яких перевищує границю плинності. Тому отвори, порожнини, різного виду включення, що зменшують площу перетину і підвищують локальні напруження вище середнього рівня називаються концентраторами напружень. Ступінь підвищення напружень поблизу концентратора описують коефіцієнтом концентрації напружень a.
Рисунок 1.1 – Епюра напружень розтягнення у тонкій пластині біля концентратора напружень у виді тріщини Напруження поблизу гострих країв концентратора зростає до величини
де, Виявилося, що величина «концентрованого» напруження, визначається формою концентратора, його розмірами та радіусом кривизни його країв. Для еліптичного отвору (цей отвір вважається тріщиною) коефіцієнт концентрації напружень становить
де С - напівдовжина тріщини; R - радіус кривизни. Якщо роль концентратора напружень виконує тріщина, то положення загострюється, оскільки радіус кривизни при її вершині дуже малий і може дорівнювати міжатомній відстані. Це може привести до підвищення напруження біля вершин тріщини до значення, достатнього щоб викликати розрив міжатомних зв'язків, що приводить до збільшення її довжини, а відповідно до формули 1.2, і коефіцієнта α та як наслідок до подальшого підвищення sконц (формула 1.1). Наприклад, тріщина довжиною 2 мм із радіусом кривизни 0,1 нм підвищує напруження в 201 раз. Таким чином, тріщини приводять до послідовного руйнування міжатомних зв'язків при таких значеннях середніх напружень які у сотні разів менше теоретичної міцності. Коли в пластині виникає тріщина пружна енергія змінюється у бік її зменшення. Це легко зрозуміти, якщо ми врахуємо, що коли тріщина розділе пластину навпіл, обидві половини будуть розряджені і їх пружна деформація зникне. Оскільки при виникненні тріщини утворюються дві нові поверхні, а поверхня завжди має надлишкову енергію, то загальне значення енергії буде різницею між значенням пружної енергії, що вивільнилася, і енергією, яка додалася і пов’язана з утворенням двох нових поверхонь тріщини. Ці зміни показані на рисунку 1.2. Як видно з вказаного графіка, утворення дрібних тріщин довжиною менше lk енергетично не вигідно (крива А підвищується). Але якщо в матеріалі вже є готові тріщини довжиною більше lk, то їх подальший ріст може стати енергетично вигідним, оскільки коли довжина тріщини, що поширюється, починає перевищувати значення lk, сумарна енергія зменшується. При збільшенні довжини тріщини більше за значення lk (рис. 1.2) зовнішнє навантаження вже не потрібне. Для завершення процесу руйнування досить тієї пружної деформації (а отже енергії), що була накопичена в пластині до моменту досягнення тріщиною критичної довжини, а саме lk (рис. 1.2).
US – енергія, що пов’язана з утворенням двох нових поверхонь, А – зміна загальної енергії, U - пружна енергія, що вивільнюється Рисунок 1.2 – Зміна енергії при рості тріщини
Теорія Гріффітса пояснила неможливість зупинки процесу росту тріщини, якщо він вже пройшов критичну точку. Вона дозволила оцінити ті граничні розміри тріщин, з якими ще може працювати матеріал при певних напруженнях sкр. Теорія Гріфітса та наступний її розвиток дозволяє встановити зв'язок між довжиною тріщини та значенням напруження (sкр) яке ще не буде небезпечним. Припустимо, що технологія одержання певного матеріалу не забезпечує відсутності тріщин у виробі. Наприклад, зварювання часто викликає утворення непроварів та неметалічних включень. На виробництві для відбракування деталей із подібними дефектами використовують методи дефектоскопічного контролю. Проте кожен метод дефектоскопії має деякий поріг чутливості, тому можна із впевненістю стверджувати лише те, що у виробі не буде дефектів більше певного розміру, який перевищує чутливість застосованого методу дефектоскопії. Тоді, це граничне значення величини дефекту і буде визначати критичне значення напруження sкр. Маючи таку інформацію, конструктор, в свою чергу, може вибрати форму та розміри виробу таким чином, щоб при відомому робочому навантаженні напруження в будь-якому перетині були менші критичного значення sкр. На перехід матеріалів з в’язкого у крихкий стан впливають умови випробування, зокрема швидкість навантаження та температура. Для стандартних швидкостей деформації 10−2... 10-3 с–1, якщо в матеріалі не відбуваються фізико-хімічні перетворення, то існує аналогія впливу швидкості та температури. З підвищенням швидкості та зниженні температури збільшується границя плинності і відповідно підвищується схильність до крихкого руйнування. При цьому вплив швидкості на величини граничних напружень в порівнянні з впливом температури завжди слабкіше. При швидкостях деформації порядку 105 с–1 процес деформування стає адіабатичним. Через недостатній час для відводу тепла, різко зростає температура матеріалу, а сам матеріал проявляє надпластичність. Цей ефект використовується в технології зварювання вибухом та у технології різання металів. Подальше збільшення швидкості деформації до 106-107 с–1 приводить до того, що пластичні деформації поширюються з меншими швидкостями, ніж пружні і відбувається крихке руйнування (руйнування відколом), зокрема при імпульсному нагріванні поверхні лазером. При таких високих швидкостях, коли час навантаження стає близьким або кратним періоду власних коливань структурних елементів, стають помітними інерційні ефекти. В цьому випадку опір залежить від щільності матеріалу і його структури. Одночасна зміна температури і швидкості деформування приводить до більш сильної зміни механічних властивостей, ніж сума окремих ефектів, температурного і часового. Це свідчить про існування температурно-часового ефекту взаємодії.
1.2. Завдання на підготовку до лабораторної роботи Для виконання лабораторної роботи та пояснення результатів експериментів необхідно пропрацювати такі питання: 1. Кристалічна і аморфна будова матеріалів. 2. Види напружень, пружна і пластична деформація металів. 3. Руйнування металів. Механізми утворення тріщин. 4. Механічні властивості, що визначаються при статичних випробуваннях. 5. Схема, що описує зміну механізму руйнування під впливом температури. 1.3. Контрольні питання 1. Яка різниця у будові кристалічних та аморфних матеріалів? 2. Які види дефектів зустрічаються у кристалічних та аморфних матеріалах, що знижують теоретичну міцність матеріалів і чому? 3. Чим відрізняється істинне напруження від умовного? 4. Що таке концентратори напружень, яким параметром оцінюють їх ступінь дії та чим вони небезпечні? 5. Які процеси відбуваються в металі при пружній деформації? 6. Яким чином відбувається пластична деформація? 7. Чим пояснюється наклеп металу в процесі деформування? 8. Які ознаки крихкого і в’язкого руйнування? 9. Поясніть механізм утворення та поширення тріщин. 10. Які особливості структури в’язкого і крихкого зламів? 11. В яких умовах частіше спостерігається крихке руйнування і чим це можна пояснити? 12. Охарактеризувати схему, що описує зміну механізму руйнування під впливом температури. 13. Якому виду руйнування притаманне більше значення поглиненої енергії? 14. Якому виду руйнування притаманне більше значення швидкості поширення тріщин? 15. Поясніть яким чином в’язке і крихке руйнування пов’язані з кристалографічними площинами?
1.4. Матеріали і устаткування Набір зразків з крихких та в’язких матеріалів при нормальних умовах, розривна машина, обладнана піччю. Мікроскоп. Деталі після передчасного руйнування від однократного навантаження.
1.5. Вказівки з техніки безпеки Роботу виконують з дозволу викладача у відповідності з інструкціями із ТБ (додаток А).
1.6. Порядок виконання лабораторної роботи Ознайомитися зі зразками крихких та в’язких матеріалів при звичайних умовах. Провести випробування зразків на розтягнення при температурах вищих та нижчих температури крихкості Ткр. Визначити характеристики механічних властивостей матеріалів, при вказаних температурах. Результати випробувань занести у таблиці 1.2 та 1.3. Провести дослідження зламів зразків та деталей. Визначити характер руйнування. Результати занести у таблицю 1.4.
Таблиця 1.2 – Залежність границі плинності та міцності від температури випробувань для торійованих вольфрамових сплавів
Таблиця 1.3 – Залежність звужування (y) та видовження (d5) від температури випробувань
Таблиця 1.4 - Ознаки зламу сплаву ВТ15 у крихкому і пластичному стані при певній температурі.
1.7 Зміст звіту Мета роботи, загальні відомості. За даними таблиці 1.2 побудувати графіки залежностей механічних властивостей від температури випробувань, із застосуванням теоретичних відомостей пояснити їх характер, визначити Ткр. Проаналізувати результати, наведені у таблицях 1.3 та 1.4, описати виявлені закономірності. Зробити висновки за результатами проведених досліджень.
1.8. Література 1. Лахтин Ю.М., Материаловедение [Текст]: Учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – С 11…14; С.68…80. 2. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей [Текст]: Справочник под ред. В.Д. Кальнера. М.: Машиностроение, 1984. – С100…102.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2
Мета роботи:. Дослідити особливості поширення тріщин у кристалічних матеріали при крихкому та в’язкому руйнуванні
2.1. Загальні відомості Теорія крихкого руйнування Гріффітса добре підтверджується експериментами на аморфних матеріалах типу скла при невисоких температурах, що забезпечує досить повне гальмування пластичної деформації. Проте при переході до металів вона дає результати, які не відповідають реальності, хоча їх поводження при крихкому руйнуванні якісно не відрізняється від поводження скла. Причина цієї невідповідності згідно Оровану, у тому, що пружна енергія, яка вивільнюється при рості тріщини, витрачається не тільки на утворення нових поверхонь, але й на пластичну деформацію. Тому що, біля вершини тріщини утворюються високі напруження і деякий об'єм металу завжди піддається пластичній деформації. Оскільки при поширенні тріщини у кристалі в зоні високих напружень біля її вершини будуть виникати все нові джерела дислокацій, які тріщина змусить працювати, тобто буде відбуватись пластична деформація у вказаному місці. Коли тріщина розірве метал, поверхня зламу буде пластично деформована. Тому при крихкому руйнуванні металів пластично деформований шар на поверхні зламу існує завжди. Залежно від умов його товщина може мінятися від часток мікрометра до десятків мікрометрів і більше. Оскільки на пластичну деформацію витрачається певна робота, то товщина деформованого шару буде впливати на загальні енерговитрати, пов'язані з руйнуванням. Чим швидше поширюється тріщина, тим тонше деформований шар і тим у меншому ступені він деформований, тому що потрібно на приведення в дію дислокаційних джерел витратити певну енергію, а це потребує деякого часу. Орован до величини
де С – довжина тріщини, Е – модуль Юнга. Оскільки
Величина Є багато експериментальних даних які підтверджують, що крихкому руйнуванню в кристалічних матеріалах передує пластична деформація, незважаючи на те, що шлях руху дислокацій безпосередньо перед тріщиною, що поширюється, може бути невеликим. Вважається, що за утворення зародків тріщин відповідальна взаємодія дислокацій. На цій підставі був запропонований ряд можливих механізмів, (модель Стро-Мотта, механізм Коттрелла), деякі з яких знайшли експериментальне підтвердження. Відповідно до моделі Коттрелла утворення мікротріщин відбувається в площині перпендикулярній до осі розтягнення. Це підтверджується експериментальними даними.
2.1.1 Особливості крихкого руйнування Практично в будь-якому матеріалі, який би він не був пластичний при статичних випробуваннях, може відбутися крихке руйнування, якщо в ньому при навантаженні одночасно утвориться багато активних дефектів – недосконалостей кристалічної гратки, наприклад, дислокацій. Тріщина стає нестабільною і починає поширюватися, коли її довжина перевищує критичне значення за рівнянням Гріффітса. Швидкість поширення тріщини - При такій швидкості поширення тріщини значення напруження, достатнього для руйнування атомних зв'язків біля вершини тріщини, досягаються за час одного періоду коливань атомів. Швидкості поширення тріщин у різних матеріалах наведено у табл. 2.1.
Таблиця 2.1 - Швидкості поширення тріщин у різних матеріалах
Фінкель В.М. визначив методом прискореної кінозйомки, що в крихкому металі тріщина на докритичній стадії процесу руйнування рухається зі швидкістю ~ 1 мм/год, а після досягнення критичного розміру - 10000 км/год. Приклади: 1. Танкер розламався навпіл у тиху погоду. Тріщина зародилася біля гострого кута люка, моментально проскочила по палубі, а потім по обох бортах до самого кіля. 2. Досить страшну картину показують випадки крихкого руйнування магістральних газопроводів. Тріщина поширюється уздовж трубопроводу зі швидкістю реактивного літака, пробігаючи без зупинки десятки кілометрів. Такі руйнування приносять колосальний збиток і часто приводять до людських жертв. Крихкі злами, як правило, виникають від дії нормальних напружень, чим визначається їх макро- і мікроорієнтування, проте відомі випадки крихкого руйнування і від дотичних напружень, що частіше спостерігається в литих металах і сплавах. У багатьох кристалічних матеріалах при низьких температурах порушення суцільності відбувається у формі крихкого руйнування або відколу. Більш схильні до крихкості кристали з іонним і ковалентним зв'язками. Відкол, як вид руйнування уявляє собою роз’єднання по певним кристалографічним площинам, що відбувається в металах, які мають невелику здатність до поперечного ковзання або не мають її зовсім. Руйнування у виді істинного відколу спостерігається в металах з ОЦК граткою, зокрема в Fe, Mo, Cr, V, W, і Ta, де його поява пов'язана з наявністю атомів втілення. У металах із ГЦК граткою такого руйнування не виявлено. У металах із ГЩП граткою (Zn, Mg, Ti, Be) подібний вид руйнування виявлено при від’ємних температурах. Метали з іншими типами кристалічної гратки часто є крихкими - Bi, Sb (ромбоедрична). Неможливо встановити єдиний критерій, який би дозволив визначити площини руйнування, наприклад, як площина з найбільш щільним пакуванням або з найменшою поверхневою енергією. Проте метали з подібними кристалічними гратками поводяться однаково. Типові площини відколу металів, що мають різні типи граток, наведено у таблиці 2.2.
Таблиця 2.2 - Типові площини відколу деяких металів
|
. Для заліза в якого модуль 
; теоретична міцність вийшла в 1000 разів більше реальної міцності (
). Теж приблизно для міді 
, а 
, тобто в 76000 разів теоретична міцність більше реальної. Різниця в значеннях теоретичної та реальної міцності була пояснена тим, що деформація здійснюється послідовним проходженням дислокацій вздовж площини ковзання, а не шляхом одночасного зсуву по всьому кристалі (як передбачалося при розрахунку) та наявністю мікроскопічних тріщин.
, у той час, як його реальна міцність не перевищує 1/50 – 1/100 від розрахункової, тобто ≈ 150…200 МПа.
, (1.1)
- напруження, яке виникає під дією зовнішніх чинників.
, (1.2)
(енергії поверхонь, що утворюються) у формулі Гріффітса додав ще один доданок 
- енергію яка витрачається на пластичну деформацію (так звана ефективна поверхнева енергія) шару матеріалу, що прилягає до нової поверхні, що утворилася
.
. Проте тріщина з такою швидкістю рухатися не може. Її гранична теоретична швидкість становить 0,5 v звуку в металі, тобто 2,5 - 3 км/с.
, де С0 – швидкість поширення пружних подовжніх хвиль у матеріалі.
