Виды механического разрушения

Механическое разрушение- любое изменение размеров, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, в результате которой они утрачивает способность выполнять предназначенную ей функцию.

I По характеру разрушения

1) упругая деформация

2) пластическая

3) разрыв или разделение на части

4) изменение материала

а) металлургическое

б) химическое

в) ядерное

II По причинам разрушения

1) нагрузки

а) установившиеся

б) неустановившиеся

в) циклические

г) случайные

2) время процесса

а) очень малое

б) малое

в) продолжительное

3) температура

а) низкая

б) комнатная

в) повышенная

4) воздействие окр среды

а) химическая

б) ядерное

III по месту разрушения

1) объемное

2) поверхностное

Основные виды механического разрушения:

1) упругая деформация - упругая деформация, возникающая под действием эксплуатационной нагрузки настолько велика, что элемент утрачивает способность выполнять предназначенную ему функцию

2) текучесть - пластическая необратимая деформация настолько велика, что элемент утрачивает способность выполнять предназначенную ему функцию

3) вязкое разрушение - пластическая деформация достигает такой величины, что элемент разделяется на две части.

Разрушение происходит в результате процесса зарождения, слияния и распространения внутренних пор, поверхность разрушения гладкая и волнистая

4) хрупкое разрушение происходит, когда упругая деформация элемента из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части.

Внутренние дефекты и образующиеся трещины быстро распространяются до полного разрушения. Соответственно поверхность разрушения - зернистая, неровная.

5) усталостное разрушение - процесс изменения структур и свойств материала под действием циклических нагрузок (повторно-переменных напряжений), приводящих к появлению трещины, а затем и к полному разрушению элемента

6) коррозия - широкий класс вида разрушения при котором деталь или элемент конструкции утрачивает способность выполнять предназначенную ему функцию в результате химического или электрохимического взаимодействия.

Коррозия часто проявляется во взаимодействии с другими видами разрушения, особенно с износом и усталостью, значительно ускоряя её

7) износ - вид разрушения - при котором происходит постепенное изменение размеров элементов конструкции, вследствие удаления отдельных частиц с контактирующих поверхностей при их движении чаще всего скользящим друг относительного друга. Износ является в основном результатом механического действия, которые состоит из сложного взаимодействия: локальных сдвигов, вдавливаний, свариваний металла, разрыва и других механизмов.

Виды износа

а) Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных локальных давлений, свариваний между собой шероховатостей поверхностей, последующей пластической деформации, возникающих при их относительном перемещении, разрушения локальных сцеплений шероховатостей, удаление или переноса металла.

б) абразивный износ - вид разрушения при котором с поверхности металла удаляются частицы в результате режущего или царапающего действия неровностей более твердой поверхности из контактирующих поверхностей. Или же частиц, задержавшихся между поверхностями.

в) усталостные износ (поверхностный) Представляет собой износ вращающихся или скользящих друг относительно друга криволинейных поверхностей, при этом в результате действия циклических касательных напряжений на небольшой глубине у поверхности возникают сетки усталостных трещин, выходящих на поверхность, откалываются частиц металла и на поверхности образуются ямки.

8) Разрушение при ударе - происходит когда в результате действия неустановившихся нагрузок в деталях возникают такие деформации, что детали не в состоянии выполнять предназначенную функцию.

Разрушение происходит в результате взаимодействия волн напряжений и деформаций, являющихся действием динамического или внезапного приложения нагрузок. Взаимодействие волн может приводить к возникновению локальных напряжений и деформаций во много раз превышающих, возникающие при статическом приложении тех же самых усилий.

Если возникающие напряжения деформации таковы, что происходит разрушение на 2 или более части, то это разрыв при ударе. Если удар приводит к возникновению недопустимых упругих ил пластических деформаций, то это разрушение называется деформирование при ударе. Если на повторных ударах возникают циклические упругие деформации в результате чего образуются сетки усталостных трещин, то процесс называется усталостным износом при ударе.

9) Разрушение вследствие радиационного повреждения означает, что при радиационном облучении происходит такое изменение свойств металла, что детали уже не в состоянии выполнять предназначенные им функции. Обычно это изменение связано с потерей деталями пластичности

10) Разрушение выпучиванием - наблюдается когда при некоторой критической комбинации величины и (или) места , а также формы и размеров детали ее перемещения или про­гибы внезапно резко увеличиваются при малом изменении нагруз­ки. Такое нелинейное поведение приводит к разрушению выпучива­нием, если потерявшая устойчивость деталь уже не может выпол­нять своих функций.

11)Фреттингможет происходить на поверхности контакта двухтвердых тел, прижатых друг к другу нормальной силой и совершающих относительно друг друга циклические движения малойамплитуды.

Лекция № 6

Упругая и пластическая деформация

Деформацией называется процесс изменения формы металлов под действием внешней нагрузки или под влиянием физических и хими­ческих явлений, вызывающих частичные изменения объема, напри­мер при переходе одной аллотропической формы в другую.

Упругая деформация

Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и обратимое смещение атомов. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки, сме­щенные атомы вследствие действия сил притяжения пли отталкива­ния возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры. Нормальные напряжения могут вызвать только упругую деформацию.

Если нормальные напряжения достигают величины сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва.

Схема упругой деформации металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рисунке 2 

  а                                        б

а − первоначальный кристалл; б − упругая деформация

Рисунок 2 –Схема упругой деформации металла под действием

напряжения сдвига τ

Пластическая деформация

При возрастании касательных на­пряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства. Она происходит только благодаря касательным напряжениям и заключается или в скольжении слоев атомов относительно друг друга (рисунок 3, б) или в двойниковании (рисунок 3, в).

Схема пластической деформации металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рисунке 3.

а                           б                         в

а − увеличение упругой и появ­ление пластической деформации, вызванной скольжением при нагружении, большем пе­редела упругости;б − напряжение, обусловливающее появление сдвига (после сдвигасохранилась остаточная деформация); в − образование двойника

Рисунок 3 − Схемы пластической деформации металла под действием

напряжения сдвига τ

Изучение механизма пластической деформации металлов необ­ходимо при исследовании следующих важнейших проблем:

– всех вопросов, связанных с образованием структуры металлов как при их затвердевании, так при перекристаллизации и фазовых превращениях в твердом состоянии;

– процессов холодной и горячей обработки давлением и обработки резанием;

– прочности металлов.

Механизм пластической деформации был подробно изучен на крупных кристаллических зернах металла и других неорганических и органических веществ, полученных отдельно и называемых монокристаллами, или одиночными кристаллами. Такой монокристалл имеет правильную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы, или, точнее, положительно заряженные ионы, а пространство заполнено электронным газом.

Существует много методов получения крупных монокристаллов, например, путем применения неравномерного охлаждения расплавленного металла, вызывающего рост зерна из одного центра кристаллизации в вершине конуса или медленное вытягивание одного кристаллизующегося зерна из расплавленного металла. В тугоплавких металлах, например железе, вызывают искусственный гигантский рост зерна при отжиге, когда одно крупное зерно разрастается за счет остальных.

Из крупных монокристаллов вырезают образцы, которые подвергают механическим испытаниям, исследуют при этом их макро − и микроструктуру, а также атомную структуру при помощи рентгенографического анализа и применяют другие физические методы исследования.

Данные ряда исследований показали, что механизм пластической деформации состоит из следующих процессов:

– скольжения;

– двойникования;

– изменения положения атомов;

– разрушения.

Лекция №7

Размножение дислокаций

В процессе деформации происходит активное размножение дислокаций.

В реальных кристаллах дислокации закреплены по-разному. Если слабо – то текучесть начинается при их срыве; если сильно – то происходит генерация новых дислокаций в местах скоплений напряжений. Так же, задержка дислокаций на границах зерен, приводит к росту напряжений, и только при достижении определенного напряжения, происходит либо срыв дислокаций и их продвижение, либо генерация новых дислокаций. Таким образом, торможение дислокаций создает возможность их размножения, результатом чего становится зуб текучести.

Возможны два вида зарождения дислокаций:

· гомогенное — процесс развивается в совершенной области кристалла;

· гетерогенное — зарождение в области, содержащей дефекты.

Для гомогенного зарождения дислокаций необходимы очень высокие напряжения, т.е. в кристаллах, прежде чем произойдет гомогенное зарождение дислокаций в случае приложения достаточно больших напряжений, будут происходить другие процессы. В отличие от него гетерогенное зарождение дислокаций является распространенным механизмом. Оно вызывается напряжениями, сконцентрированными вокруг таких гетерогенных включений, как трещины, частицы выделений и другие дефекты в кристаллах.