ности. Скорость таких процессов зависит от концентрации вакансий в кристаллической решетке и от возможности их диффузионного пере­ мещения.

В кристаллической решетке всегда присутствуют тепловые ва­ кансии, образующиеся по механизму Шоттки (в результате испаре­ ния атома со свободной поверхности и диффузии образовавшейся вакансии в глубь металла). Возникновению такого механизма могут способствовать свободные поверхности на внутренних несплошностях в металлах. Концентрация тепловых вакансий с повышением температуры растет.

Неконсервативное движение винтовых дислокаций с порогами, имеющими краевую ориентацию, возможно за счет силового прота­ скивания порога, который оставляет после себя цепочку вакансий (или цепочку межузельных атомов при движении порога в противо­ положном направлении).

При сближении разноименных дислокаций, находящихся в сосед­ них плоскостях, образуется цепочка вакансий. Дислокационные механизмы создают избыточную концентрацию вакансий в ре­ шетке.

Диффузия вакансий инициируется различием их химических по­ тенциалов Др в различно напряженных участках решетки, так как

И Х РУП КО Е Р А З Р У Ш Е Н И Я М АТЕРИ АЛ О В, ИХ О С О БЕН Н О С ТИ И РАЗЛИ ЧИЯ .

ДЕМ О РФ ИЗМ М ЕТАЛЛО В

3.1. РАЗЛИЧИЕ В ПОВЕДЕНИИ ПЛАСТИЧНЫХ И ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД НАГРУЗКОЙ

Это различие проявляется прежде всего в диаграммах осевого растяжения. На рис. 3.1 приведены диаграммы растяжения хрупкого (чугуна — рис. 3.1, а) и пластичного (стали СтЗ — рис. 3.1, б) мате­ риалов при обычных температурах. Такой вид диаграмм свидетель­ ствует о различной чувствительности материалов к перегрузкам и локальным перенапряжениям. В деталях машин могут происходить перегрузки по сравнению с напряжениями при установившихся режимах, например в коленчатых валах и валах двигателей внутрен­ него сгорания при пуске или прохождении через резонанс, в осях вагонов при прохождении колесной пары через рельсовые стыки или участки рельсов со слабо подбитыми шпалами.

Локальные перенапряжения связаны чаще всего с геометриче­ скими концентраторами в деталях.

Из диаграмм растяжения (рис. 3.1) видно» что в хрупких материа­ лах связь напряжений и деформаций соответствует закону Гука вплоть до достижения значения опч, поэтому при перегрузке рост на­ пряжений легко приводит к разрушению детали. В пластичных ма­ териалах рост напряжений с увеличением деформации совершается по закону Гука только до значения а иц и выше ат резко замедляется. Таким образом, пластическая деформация предохраняет материал при перегрузках от разрушения.

Если же говорить о дей­ ствии ударных нагрузок, то по энергоемкости, т. е. работе, затрачиваемой на деформацию перед разрушением, хрупкие

Рис. 3.1

и пластичные материалы также сильно различаются. Об этом можно судить по площадям, описываемым кривыми дефор­ мации (рис. 3.1). Материалы в хрупком состоянии обладают очень малой энергоемкостью и поэтому плохо сопротивляются действию динамических нагрузок.

\ Хрупкие материалы плохо сопротивляются растягивающим на­ грузкам. По этой причине инженеры и архитекторы в течение многих веков, пока главным строительным материалом были хрупкие мате­ риалы (камень, кирпич), старались не нагружать материал растя­ жением. Отсюда понятно обилие в древних античных постройках арочных и купольных конструкций, работающих только на сжатий

Хрупкие материалы чувствительны к концентраторам напряже­ ний (надрезам, отверстиям, выточкам, резким изменениям формы и размеров сечения). Для примера на рис. 3.2 показаны схемы напря­ женного состояния в гладком и надрезанном цилиндрических образ­ цах при их осевом растяжении. Гладкий образец из хрупкого мате­ риала разрушится, когда напряжение аном = P/F (где F — площадь сечения) достигнет значения опч, т. е. при оном = апч. В надрезанном образце из хрупкого материала разрушение произойдет, когда на­ пряжение а,пах с учетом концентрации достигнет значения опч, т. е. при ашах = а пч. Величина аном при этом будет значительно ниже сгич, как показано на рис. 3.2.

Под влиянием надреза прочность хрупкого материала, оценивае­ мая равенством ах = аном, снижается (см. рис. 2.4 и 2.6).

Впластичных материалах при достижении напряжения отах = аТ на поверхности надрезанного сечения возникнет пластическая де­ формация, с ростом нагрузки она постепенно распространится по всему сечению. Разрушение произойдет, когда значение апом будет близко к ав для надрезанного образца.

Хрупкое и вязкое разрушения в изломе выглядят по-разному. Полностью хрупкий разрыв распространяется в кристаллических телах вдоль простых кристаллографических плоскостей (как правило,

смалыми индексами) и дает гладкую поверхность излома, состоящую из плоских граней расколотых кристаллических зерен. Последние обладают высокой отражающей способностью, что создает металли­ ческий блеск. Такой вид разрушения, как было условлено в гл. 1, будем называть отрывом.

Вместе отрыва заметной остаточной деформации металла не наблюдается. Отрыв, как уже указывалось, вызывается действием нормальных напряжений.

Пластическое разрушение сопровождается пластической дефор­ мацией, о чем свидетельствуют утонение образца и неровная волокни­ стая поверхность излома. При пластическом разрыве кроме нормаль­ ных напряжений в разрушении участвуют и касательные, так как пластическая деформация вызывается действием только касательных напряжений. В тех случаях, когда разрушение происходит под дей­ ствием только нормальных или только касательных напряжений, внешним признаком может служить вид разрушения: разная ориен­ тация излома относительно направления главных напряжений в об­ разце. Наглядно это проявляется при разрушении кручением пластич­ ной и хрупкой сталей.

Вследствие указанных причин хрупкие материалы для изготов­

ления несущих элементов конструкций, работающих на растяжение, в машиностроении не пригодны.

Анализ причин аварий конструкций и машин, проводящийся периодически в разных областях техники, показывает, что разру­ шение деталей имеет во многих случаях хрупкий характер, в то время как эти детали были сделаны из пластичных материалов. Об­ разцы, вырезанные из потерпевших аварию деталей после их хруп­ кого разрушения, при испытании на осевое растяжение в лаборатор­ ных условиях снова показывают пластический характер разрушения, которому предшествует заметная пластическая деформация.

Таким образом, практика подтверждает результаты исследова­ ний, что хрупкость и пластичность не есть неизменные свойства ма­ териалов, а являются лишь состояниями, в которых материалы могут находиться. Под влиянием различных факторов материалы могут переходить из хрупкого состояния в пластичное и наоборот. Например, высокоуглеродистые инструментальные стали, хрупкие при комнатной температуре, становятся пластичными при высоких температурах и поддаются горячей пластической обработке; то же самое можно сказать и о ковких чугунах. Инструментальные стали, хрупкие при растяжении или изгибе, ведут себя как пластичные при деформации кручением и т. д.

При понижении температуры {Т3 < 3 Тг < 3 Тг — рис. 3.3) сопротив­ ление материала деформации на всех ее этапах возрастает и вся диа­ грамма деформирования смещается вверх. Сопротивление отрыву от температуры практически не зависит. В результате при Т3 предел текучести ат становится выше, чем аотр, поэтому образец без наступ­ ления пластической деформации хрупко разрушается. Таков меха­

Явление хладноломкости заключается в переходе металлов при понижении температуры из пластичного состояния в хрупкое.

Для практической оценки хладноломкости пластичных материа­ лов чаще всего прибегают к ударным испытаниям образцов на изгиб при различных последовательно понижающихся температурах. В результате получается кривая зависимости ударной вязкости KCU от температуры испытания Т. Характерные типы таких кривых изоб­ ражены на рис. 3.4.

Переход из пластичного состояния в хрупкое обычно проявляется или в резком (рис. 3.4, а), или в постепенном (рис. 3.4, б) уменьше­ нии энергии, затрачиваемой на разрушение.

Температуру, при которой начинается заметный переход из пла­ стичного состояния в хрупкое, называют критической температурой

Объяснение явления хладноломкости впервые дано академиком А. Ф. Иоффе [331 на основании опытов с каменной солью. Примене­ ние и развитие этого объяснения для металлов принадлежит акаде­ мику Н. Н. Давиденкову [24].

Согласно схеме Иоффе, критическая температура хрупкости опре­ деляется точкой пересечения двух кривых, изображающих зависи­ мость сопротивления отрыву стотр и предела текучести от от темпера­ туры (рис. 3.5, а). Величина аотр от температуры, как уже говори­ лось, не зависит или зависит слабо.

Из рис. 3.5, а видно, что при Т < Ткр металл разрушится хрупко, а при Т > Ткр перед разрушением металл будет пластически дефор­ мироваться. Все зависит от того, какая характеристика окажется ниже — о0тр или от и, следовательно, будет прежде всего достигнута при нагружении образца.

т

Р и с . 3 . 4 Р и с . 3 . 5

О возможности перехода элементов конструкций в хрупкое со­ стояние вследствие эксплуатации их при низких температурах сви­ детельствуют случаи поломок деталей машин в условиях Крайнего Севера. На рис. 3.6 приведены статистические данные о поломках автосцепок железнодорожного транспорта на Крайнем Севере в прош­ лом. Наибольшее число поломок N падет на холодные зимние месяцы.

К хладноломким металлам, способным при низких температурах становится хрупкими, относятся прежде всего металлы с кристалли­ ческими решетками ОЦК (железо, стали на основе a-Fe, вольфрам, молибден) и ГПУ (кадмий, магний).

Металлы с решеткой ГЦК (медь, алюминий, никель, аустенитные стали) не проявляют признаков хладноломкости. Объяснить это можно с помощью схемы Иоффе (рис. 3.5, а), из которой следует, что выявленная с ее помощью хладноломкость сопровождается двумя особенностями поведения металлов: значительным ростом предела текучести <гт с уменьшением температуры и достаточно низким уров­ нем аотр. Эти особенности отсутствуют в металлах с решеткой ГЦК, для которых значение о0тр лежит достаточно высоко, а сгг слабо ме­

С помощью схемы Иоффе можно оценивать способность материа­ лов переходить в хрупкое состояние не только под влиянием пони­ жения температуры, но и под действием многих других факторов, влияющих на уровень от и аотр. С помощью величины Т.кр можно проводить качественное сравнение склонности к хрупким разруше­ ниям разных сталей, например при изменении скорости деформа­ ции и, как будет показано далее, при изменении напряженного состоя­