Механизм разрушения металлов может быть весьма раз­личным в зависимости от причин, вызывающих разрушение, и усло­вий, в которых оно происходит. Здесь речь пойдет о разрушении, вызванном сдвигом или отрывом. Разрушение вследствие сдвига на практике встречается довольно часто. В хрупких материалах оно может происходить и без пластической деформации. Так, в кристал­лах с ионной связью силы притяжения строго направленны, поэтому незначительное смещение атомов из своих положений за счет сдвига приводит к нарушению связей раньше, чем атомы успевают войти в зацепление с соседними. Металлическая связь в этом отношении более гибка. При смещении одной атомной плоскости металла по отношению к другой даже на половину межатомного расстояния связи между атомами не нарушаются, благодаря чему появляется возможность пластической деформации металла. Разрушению ме­таллов при сдвиге всегда предшествует большая или меньшая пла­стическая деформация. В этом случае нарушение межатомных свя­зей происходит только при весьма интенсивном скольжении ОДНОЙ атомной плоскости вдоль другой, приводящем в конце к их разде­лению.

Гораздо чаще наблюдается разрушение металлов путем отрыва, связанное с возникновением и развитием трещин. Появление тре­щин в металле является результатом хрупкого разрушения его в тех случаях, когда по тем или иным причинам пластические дефор­мации затруднены или невозможны. Образовывается и распростра­няется трещинл только при условии уменьшения свободной энергии системы в целом Обычно этот процесс связан с местным снятием напряжений в объемах металла, прилегающих к поверхностям раз­дела. Вместе с тем, образование трещины требует увеличения по­верхностной энергий. Чтобы общая свободная энергия металла, в котором появились трещины, снизилась, работа, совершенная в результате устранения упругих искажений, должна быть больше или равна приращенш^ энергии за счет образования двух новых свободных поверхностей. Рост трещины наблюдается лишь в том случае, если для объембр металла у ее концов будут справедливы аналогичные энергетические соотношения.

Образование трещин в металле главным образом происходит под действием, нормальных напряжений отрыва, благодаря чему направление трещин всегда близко к плоскости, перпендикуляр­ной к максимальному растягивающему напряжению.

Можно назвать следующие основные причины появления хруп­ких разрушений: 1) низкая пластичность металла; 2) высокая ско­рость пластической деформации; 3) наличие в металле поля объем­ных напряжений растяжения; 4) местная концентрация напряжений.

Примером хрупких разрушений, обусловленных низкой пластич­ностью металла, могут служить трещины, возникшие при сварке чугуна и закаливающихся сталей.

Под действием приложенных усилий пластическая деформация протекает весьма быстро, тем не менее для каждого металла суще­ствует своя критическая скорость деформации, превышение кото­рой ведет к хрупкому разрушению. Так, при обычных скоростях нагружения малоуглеродистая сталь вполне пластична, тогда как при нагружении взрывом пластической деформации нет, а наблю­дается типичное хрупкое разрушение.

Объемно-напряженное состояние растяжения препятствует про­теканию пластической деформации и тем самым способствует появ­лению хрупких разрушений даже в металлах с довольно высокой пластичностью. Например, при сварке элементов различной тол­щины из одного и того же металла возможность появления трещин в сварных соединениях толстых элементов возрастает, так как в этом случае могут возникать значительные собственные напряжения растяжения по всем трем координатным направлениям.

Хрупкому разрушению способствует местная концентрация напряжений в случае надрезов, трещин, резких изменений сече­ния и пр.

Характер разрушения зависит от температуры, при которой оно происходит. Переход от пластической деформации к хрупкому раз­рушению при изменении температуры хорошо объясняется схемой А. Ф. Иоффе. Согласно ей характер разрушения металла при дан­ной температуре определяется соотношением предела текучести и хрупкой прочности, т. е. прочности металла в хрупком состоянии. Поскольку последняя не зависит от температуры, а предел теку­чести с понижением температуры значительно увеличивается, то

при определенных условиях кривые изменения этих двух величин пересекутся, что будет соответствовать критической температуре хрупкости Тк (рис. 23, а). /

Если при данной температуре и скорости нагружения предел текучести ат достигается быстрее предела хрупкой прочности аотр, разрушение будет вязким, если о0Тр достигается раньше, чем ат, разрушение — хрупкое. /

На рис. 23, а показано влияние внешних хракторов — напряжен­ного состояния и скорости нагружения, а на рис. 23, б — внутрен-

ГЧ-тя--'-'

тк т:с Гк т* т.°с

s

Рис. 23. Схема перехода от вязкого разрушения к хрупкому.

них — химического состава стали и структурного состояния на предел текучести от и хрупкую прочность аотр. В первом случае кри­тическая температура хрупкости Тк повышается, во втором — может и повышаться и понижаться. При этом нужно учитывать, что ве­личина хрупкой прочности имеет разброс, поскольку хрупкое разру­шение стали значительно зависит от наличия в ней дефектов и неод­нородностей. Действительное пересечение кривых предела текучести и хрупкой прочности наблюдается в некоторой области рассеяния, которая определяет температурные границы так называемого кри­тического интервала хрупкости (рис. 23, в).

На склонность стали к переходу в хрупкое состояние наиболее значительно влияет понижение температуры, увеличение скорости нагружения и концентрация напряжений. Поэтому при исследо­вании склонности стали к хрупкости в качестве независимой пере­

менной принимают температуру, испытывая на ударном копре об­разцы с надрезбм. Тогда работоспособность материала оценивают критической температурой хрупкости и температурным интервалом перехода от вязкий изломов к хрупким.

Процесс хрупкого разрушения разбивают на две стадии: зарож­дение трещины и еер асп ростр а нен и е. При зарождении трещины имеет место некоторая пластическая деформация металла, обнару­живаемая по матовой поверхности на изломе. Стадия распростра­нения трещин характеризуется процессом непрерывного роста их. При этом впереди фроифа главной трещины появляются микротре­щины, распространяющееся в радиальном направлении до встречи с другими микротрещинами. Поскольку эти микротрещины не ле­жат в одной плоскости с главной трещиной, то после их слияния по краям последней образуются уступы в виде «шевронного» узора. При больших скоростях распространения края трещины теряют шевронный узор и становятся гладкими. Считают, что при любой скорости распространения хрупкой трещины на развитие новой поверхности ее затрачивается энергия упругой деформации, накоп­ленная в самом металле, тогда как действие внешних сил еще не сказывается па этом процессе.

Дефекты сварной конструкции (подрезы, трещины, неметалли­ческие включения и др.) выступают концентраторами напряжении и могут стать началом хрупких трещин. В этом случае образова­нию последних способствуют удары, резкие изменения темпера­туры, коррозионная среда и др. Так как эти факторы трудно исклю­чить, важно не создать в металле условий для перехода первой ста­дии зарождения хрупкой трещины во вторую. Поэтому металл должен обладать известной способностью затормозить рост хрупкой трещины.

Распространение трещин происходит не мгновенно, а в каждом случае имеет свою определенную скорость. Так, при ударном раз­рушении образца из хрупкой хорошо закаленной стали скорость распространения трещины очень велика — 2000 м/с к. В условиях статического нагружения трещины могут развиваться годами, так как скорость их распространения очень мала. В пластичных метал­лах эта скорость значительно снижается.

Микрообъемы металла, расположенного у концов трещин, нахо­дятся в особых силовых условиях. Здесь, как правило, наблюда­ется высокая концентрация напряжений, приводящая к развитию трещин даже при низких средних напряжениях. Пластическая де­формация распределяет эти напряжения в большом объеме, снижая коэффициент их концентрации и приостанавливая распространение трещины до тех пор, пока не исчерпаются пластические свойства металла.

Существенно влияет на возникновение трещин характер поля напряжений. Известно, что равномерное всестороннее растяжение делает невозможной пластическую деформацию. Поэтому перерас­пределение напряжений при таком нагружении не наблюдается,

в результате чего даже в очень пластичных металлах разрушение будет происходить путем отрыва. В углах трещин,/надрезов и дру­гих подобных дефектов создаются поля объемного, трехосного на­пряжения, затрудняющие пластические деформации и способствую­щие хрупкому разрушению отрывом. /

Способность металла тормозить развитие/трещины находится в обратной зависимости от особой характеристики — чувствитель­ности к надрезу. Меньшая чувствительность к надрезу, свойствен­ная вязким металлам, наблюдается также у металлов, обладающих неоднородной структурой, которая затрудняет развитие трещины.

В настоящее время существует большое'количество методов опре­деления температуры перехода в хрупкое состояние. Эти методы разделяются на три группы:

1) определение порога хладноломкости путем испытания на по­перечный изгиб на маятниковом копре образцов с различными ти­пами надреза;

2) установление температуры перехода в хрупкое состояние с помощью специальных натуральных образцов значительных размеров;

3) определение сопротивления стали распространению трещин (чувствительности к надрезу).