13.2. Строение изломов

Трещины, как правило, начинают развиваться в ряде зон и направлений, но лишь в одной зоне (реже в нескольких) развитие и слияние ряда трещин приводит к полному разрушению, остальные трещины остаются в более или менее развитом состоянии вне зоны полного разрушения. Трещину, по которой произошло окончательное разрушение, называют магистральной, остальные – единичными.

Строение излома в основном отражает ход развития магистральной трещины и не выявляет закономерностей и степени развития остальных трещин. Поэтому, только по строению излома, нельзя оценить, например, размеров зоны, поврежденной трещинами и степени этой поврежденности. Следы слияния отдельных, близко расположенных, трещин в магистральную проявляются на поверхности излома в виде рубцов и ступенек.

Из-за того, что образование поверхности разрушения происходит в результате развития нескольких трещин и притом, как правило, с изменяющейся скоростью и слиянием рядом расположенных трещин в одну магистральную, структура излома может обладать анизотропией. В результате первого процесса возникают неровности, строение профиля которых является наиболее характерным для процесса разрушения. Вид рубцов и ступенек, возникающих в результате второго процессе, обусловлен также и случайными факторами, например, расположением дефектов в материале. Поэтому при изучении профиля поверхности излома следует обращать внимание на выбор правильного направления профилирования. На рис. 13.1 изображены статистические кривые распределения углов наклона микроплощадок на поверхности излома образца, испытанного на растяжение с перекосом. Профилирование производилось вдоль и поперек направления распространения основных трещин (вдоль рубцов на изломе и перпендикулярно к ним). Результаты изучения профиля поверхности изломов, проведенного по разным направлениям, различны.

Конфигурация линий, представляющих собой следы слияния отдельных трещин, и их направление на изломе характерны для конкретного процесса разрушения и позволяют судить о направлении развития трещин и об относительной скорости их распространения.

Строение излома может зависеть от податливости нагружения. Изломы болтов, испытанных на растяжение с кручением на установке с малым запасом упругой энергии, имеют более пластичный характер: начальная зона разрушения в виде трещины от кручения занимает на этих изломах бóльшую площадь, чем на изломах болтов, разрушенных на установке с бóльшим запасом упругой энергии. Зона окончательного разрушения на первых болтах имеет более пластичный характер. Однако даже при значительном увеличении податливости системы не всегда удается перевести вязкий излом в хрупкий.

Рис. 13.1. Статистические кривые распределения углов в профиле по двум различным направлениям на поверхности излома (растяжение с перекосом надрезанного образца сталь 30ХГСНА, закалка и отпуск 510 °С): 1 – направление профилирования вдоль распространения разрушения; 2 – поперек распространения разрушения

В силу того, что строение излома отражает условия разрушения в узкой зоне, прилегающей к поверхности разрушения, терминами «вязкий излом» или «хрупкий излом» характеризуется степень микропластической деформации, протекающей в тонком окружающем трещину слое, главным образом в процессе развития трещины. Следовательно, в изломе проявляется не общая пластичность, претерпеваемая за весь период деформирования и разрушения, а лишь та часть локальной пластической деформации, которая происходит в процессе распространения магистральной трещины. В качестве иллюстрации к сказанному можно привести результаты статистической обработки подсчетов значений углов наклона микроплощадок разрушения на поверхности излома к направлению главных напряжений для образцов, изготовленных из стали 20 в двух структурных состояниях (после различных режимов отжига): мелко- и крупнозернистом. Образцы были испытаны на осевое растяжение при температуре жидкого азота и показали резко различную микропластичность. Величина относительного сужения для них отличалась в 10 раз. Несмотря на это, образцы, как из мелкозернистой, так и из крупнозернистой стали имели одинаковый характер разрушения. На рис. 13.2 показано соотношение касательных и нормальных площадок на поверхности изломов.

В общем случае в развитии пластической деформации и разрушения во времени наблюдается четыре стадии:

- инкубационная – начинается с момента возникновения исходной разности усилий нагружения и сопротивления. Скорость возрастает ускорения положительно;

- торможения – скорость убывает, ускорение отрицательно. Соответствует так называемому первому или неустановившемуся периоду ползучести;

- квазистационарная – скорость постоянная, ускорение равно нулю. Соответствует периоду установившейся ползучести. В частном случае скорость может быть равна нулю, что соответствует прекращению процесса разрушения;

- спонтанно ускоряющаяся (иногда лавинообразная) – заключительная стадия. Скорость возрастает, ускорение положительно до полного разрушения. При мало изменяющемся или даже падающем внешнем усилии ускорение растет за счет более быстрого уменьшения сопротивления, нежели уменьшения усилия.

Результаты изучения строения изломов в настоящее время не позволяют однозначно выявить особенности протекания процесса разрушения на всех четырех стадиях.

Рис. 13.2. Статистическое распределение углов в профиле излома стали 20. Испытание на растяжение при температуре -196 °С. 1 – мелкозернистый излом; 2 – крупнозернистый излом