Механизмы зарождения трещины

Трещина — экстремальный дефект, представляющий собой области с полностью нарушенными межатомными связями (берега трещин) и частично нарушенными межатомными связями (вершина трещины).

Фронт трещины – это поверхность раздела берегов. В зависимости от расположения фронта трещины относительно приложенной нагрузки различают три типа трещин [2]:

-трещина отрыва;

-трещина сдвига;

-трещина среза.

Типы трещин представлены на рисунках 1,2,3,4.

Рисунок 1 - Трещина отрыва (I мода деформации)

Рисунок 2 - Трещина сдвига (II мода деформации)

Рисунок 3 - Трещина среза (III мода деформации)

С позиций дислокационной теории кристаллических твердых тел предложено несколько различных механизмов зарождения трещин. Трещины могут возникать:

-в результате взаимодействия дислокаций в нагромождении;

- в результате образования нагромождений и взаимодействий дислокаций, движущихся в пересекающихся системах скольжения;

- при отсутствии препятствий для дислокаций.

Нагромождения дислокаций в отдельных плоскостях скольжения возникают из-за препятствий на пути движения дислокаций (границы двойников и зерен с большими углами разориентации, прочные чужеродные включения и др.).

По Зинеру трещина в заблокированной полосе скольжения может возникнуть в результате возрастания на конце полосы скольжения концентрации нормальных напряжений. Позже им предложена модель зарождения трещин вследствие нагромождения дислокаций в полосе скольжения, заблокированной границей зерна (незавершенный сдвиг). Под действием касательного напряжения дислокации могут слиться и образовать трещину (рисунок 1.1 а).

а – нагромождение дислокаций в полосе скольжения; б – пересечение полос скольжения; в – разрыв малоугловой границы

Рисунок 1.1 – Модели зарождения трещин

Механизм процесса разрушения при длительном действии нагрузки заключается в постепенном росте микротрещин до критического размера в результате разрыва атомных связей в вершине (устье) трещины. Таким образом, развитие микротрещин в напряженном теле представляет собой сущность процесса разрушения.

Трещины образуются вскоре после приложения нагрузки и обычно наразличного рода дефектах: включениях, неоднородностях, царапинах и других, и их развитие занимает основную часть времени до разрыва.

Развитие усталостной трещины, происходит в результате циклической сдвиговой деформации в области вершины трещины. Если релаксация этой деформации в результате пластического течения затруднена, то впереди трещины возникают и объединяются микротрещины. Разрушение перемычки между вершиной трещины и ближайшими микротрещинами представляет собой единичный акт роста усталостной трещины.

Хрупкое разрушение происходит при напряжении ниже предела текучести, при резком распространении трещин.

Трещины начинают развиваться задолго до полного разрушения при усталостном, пластическом и даже хрупком разрушении.

Обычно различают две стадии роста трещины: стадию медленного роста с увеличивающейся скоростью (ускоренный рост), преобладающую по времени, и стадию быстрого роста со скоростью звука.

На первой стадии, определяющей временные эффекты разрушения, существенную роль играют тепловые колебания атомов и молекул. Существует вероятность того, что некоторые частицы у вершины трещины получат вследствие тепловых колебаний избыток кинетической энергии, достаточный для разрыва связей между ними; эта вероятность тем больше, чем выше температура и больше упругие напряжения у вершины трещины.

Рост трещины на второй, конечной стадии разрушения, в отличие от первой не зависит от температуры, то есть представляет собой процесс разрушения тела локальными напряжениями, близкими к пределу молекулярной прочности, и связан со скоростью перераспределения упругой энергии.

Износ

Износ: (А) адгезионный; (В) абразивный; (С) коррозионный; (D) поверхностный усталостный; (Е) деформационный; (F) ударный; (G) фреттинг-износ.

Износ является нежелательным процессом постепенного изменения размеров вследствие удаления отдельных частиц с контактирующих поверхностей при их движении, обычно скользящем, относительно друг друга. Износ является в основном результатом механического действия. Это сложный процесс, точнее даже ряд различных процессов, которые могут протекать как независимо, так и взаимосвязано. Результатом этих процессов является удаление материала с контактирующих поверхностей вследствие сложного взаимодействия локальных сдвигов, вдавливаний, сваривания материала, разрывов и других механизмов.

Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных давлений, сваривания между собой шероховатостей поверхностей, последующей пластической деформации, возникающей при их относительном перемещении, разрушения локальных сцеплений шероховатостей, удаления или переноса металла.

При абразивном износе частицы удаляются с поверхности в результате режущего или царапающего действия неровностей более твердой из контактирующих поверхностей или твердых частиц, задержавшихся между поверхностями. Когда одновременно возникают условия как для адгезионного, так и для абразивного износа и коррозии, эти процессы взаимодействуют между собой и происходит коррозионный износ.

Поверхностный усталостный износ представляет собой изнашивание вращающихся или скользящих относительно друг друга криволинейных поверхностей. При этом в результате действия циклических касательных напряжений на небольшой глубине у поверхности возникают микротрещины, выходящие на поверхность, откалываются макрочастицы материала и на поверхности образуются ямки.

Деформационный износ происходит в результате повторного пластического деформирования изнашиваемых поверхностей, приводящего к образованию сетки трещин, при росте и объединении которых образуются частицы износа. Деформационный износ часто наблюдается при действии ударных нагрузок.

Ударныйизнос имеет место при повторном упругом деформировании в процессе действия ударных нагрузок, образовании сетки трещин, которые растут так же, как при поверхностной усталости.

Фреттинг-износ наблюдается, когда изменения размеров контактирующих деталей в результате фреттинга становятся недопустимо большими или такими, что появляются концентраторы напряжений и локальные напряжения превышают допустимый уровень.

Корозионный износ - В процессе коррозии часто образуются твердые абразивные частицы, которые ускоряют изнашивание, а в процессе изнашивания в свою очередь с поверхности постоянно удаляются защитные слои и обнажается свежий металл, что ускоряет коррозию. Взаимное влияние этих процессов друг на друга существенно повышает опасность разрушения.