Коррозия металлов

Было  показано, что критерий максимального  напряжения можно использовать в  качестве условия хрупкого разрушения, т.е. в случае, когда непосредственно  применима механика разрушения. Материалы, слабо сопротивляющиеся разрушению сколом, обычно обладают хорошими эксплуатационными  показателями при температуре, большей  температуры перехода. Это ограничивает практическую применимость механики разрушения специальным случаем хрупкого скола. 

Линейная  упругая механика разрушения особенно полезна в случае, когда материалы  не разрушаются сколом, однако с  технической точки зрения они  — хрупкие. В качестве примера  можно привести высокопрочные стали, легированные стали и высокопрочные  сплавы из алюминия и титана. Оказывается, критерий максимального напряжения все-таки в определенной степени применим,а равенство дает непосредственное выражение остаточной прочности при наличии трещины данной длины. Этот результат более или менее произволен, поскольку вязкое разрушение определяется как напряжением, так и деформацией. Кроме того, должен также выполняться энергетический критерий. При вершине продвигающейся трещины для образования новой зоны пластичности должно выделяться достаточно энергии. Материалы с очень высокой вязкостью подчиняются критерию максимальной. 
 

Критерий  разрушения сколом. 

Установить  критерий для механизма разрушения сколом, рассмотренного в гл. II, даже еще труднее, чем для разрушения в целом. Были предприняты попытки связать скорость распространения трещины в процессе циклического нагружения с раскрытием трещины при ее вершине. Механизм распространения усталостной трещины показывает, что раскрытие трещины является важным параметром, определяющим рост трещины за один цикл. 

В упругом  случае величину КРТ можно выразить следующим образом   

          (10) 
 

где C1 —  константа. Оказывается, КРТ есть функция  КI2. Поскольку скорость распространения  усталостной трещины зависит  от K, она также может быть функцией раскрытия трещины при ее вершине. Рассматривая раскрытие трещины  в процессе циклического нагружения, получаем

          (11) 
 

где C2 —  константа. Уравнение (11) — математическое выражение механизма разрушения сколом. В действительности оно представляет собой математическое выражение геометрической задачи. Раскрытие трещины было бы непосредственной мерой распространения трещины, если бы определенное раскрытие вершины трещины в любом материале сопровождалось распространением трещины всегда на одно и то же расстояние. В этом случае уравнение (11) было бы общим выражением, означающим, что данные, полученные в экспериментах на распространение трещин в различных материалах, должны ложиться на одну кривую зависимости da/dn от  

Оказывается, результаты испытаний на такой диаграмме  не совпадают. Конечно, в уравнении (11) следует использовать не одноосный предел текучести, а усталостный предел текучести. Было сделано предположение в , что для всех материалов циклический предел текучести приближается к общему уровню σysc = εE. В этом случае уравнение (11) можно было бы привести к виду

          (12) 
 

Скорости  распространения трещин в различных  сталях, алюминиевых и титановых сплавах находятся в определенном согласии с уравнением (12), как показано на рис. 4. 

Однако, для того чтобы уравнение (12) было справедливо, не обязательно наличие общего отношения усталостного предела текучести к модулю упругости для всех материалов. Скорее всего коэффициент С2 в (11) не является константой, а меняется с изменением σys/E, что также приводит к уравнению (12). С2 есть мера соотношения между раскрытием вершины трещины и ее притуплением. Это соотношение, как показано на рис. 5, может быть различным в зависимости от упругопластических свойств материала. 

Рис. 4. Полоса разброса данных, полученных в испытаниях на определение

скорости  распространения  усталостной трещины  в трех видах сталей,

в двух алюминиевых  и одном титановом  сплавах [13]

Рис. 5. Раскрытие трещины и ее рост 

Установить  критерий коррозии под напряжением  еще труднее, чем в случае усталостного разрушения сколом, главным образом  из-за недостатка знания роли окружающей среды. Было показано, что коррозия под напряжением определяется коэффициентом  интенсивности напряжений. Нет ничего удивительного в том, что этот механизм разрушения сколом так или иначе связан с полем напряжений при вершине трещины, однако в настоящий момент для установления общего критерия разрушения нет достаточных экспериментальных данных. Случай разрушения под действием водорода более перспективен. 

Влияние температуры 

Температура, вообще говоря, оказывает определенное воздействие на все свойства материала. В число свойств, существенно  зависящих от температуры, входит и  вязкость разрушения. Однако рассматривать  температурные эффекты независимо от влияния множества других рассмотренных  ранее параметров нельзя. В качестве примера рассмотрим эффект влияния  толщины. Относительно тонкая пластина может находиться в плоском напряженном  состоянии и при комнатной  температуре обладать соответствующим  высоким значением вязкости. При  низких температурах материал имеет  более высокий предел текучести  и в пластине образуется зона пластичности меньших размеров; в этом случае напряженно-деформированное состояние пластины можно охарактеризовать как переходное или даже как плоскодеформированное с соответствующим более низким значением вязкости. Таким образом, температура влияет на вязкость материала не только непосредственно, но и косвенно, через температурную зависимость предела текучести. 

Вязкохрупкий переход в структурных сталях хорошо изучен в опытах Шарпи на удар. Можно ожидать, что подобный переход будет обнаружен и при измерении значений вязкости разрушения. Ввиду того, что экспериментальное определение вязкости разрушения при температурах, отличных от температуры окружающей среды, сопряжено со значительными трудностями, были предприняты попытки оценить значение KIc с помощью энергии удара Шарпи, поскольку последняя также эквивалентна энергии разрушения, определяемой величиной GIc. Однако такое обоснование вызывает сомнения, поскольку энергия Шарпи есть суммарная энергия, необходимая для полного разрушения образца, а величина GIc равна энергии, необходимой для начального сколь угодно малого роста трещины. 

Тем не менее, между величинами вязкости разрушения и энергии Шарпи была обнаружена корреляционная связь, особенно сильная при малой вязкости. Рис. 6 можно рассматривать как иллюстрацию этой зависимости. В действительности испытание Шарпи — динамическое, и, возможно, разумнее энергию удара связать с величиной вязкости разрушения . Хотя испытания Шарпи могут служить для индикации изменений вязкости, подобные испытания в корне не совместимы с принципами механики разрушения. Поэтому возможность принятия на их основе решений или заключений о процессе разрушения в смысле механики разрушения вызывает сомнения. 

Рис. 6. Зависимость между вязкостью разрушения и энергией удара Шарпи [39] (по данным ASTM).

Для девяти различных  сталей 
 
 

На рис. 7 показано, что с увеличением температуры в стали действительно происходит переход от малой вязкости к большой. Вязкость разрушения сталей и других материалов с повышением температуры обычно постепенно увеличивается, после чего при температурах, близких к точке плавления, ее величина уменьшается

Рис. 7. Зависимость вязкости разрушения от температуры в различных сталях :

1 — А-517; 2 — РН15-7Мо; 3 — сплав D6AC с  высокой вязкостью; 4 — сплав D6AC с  низкой вязкостью 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  литературы

    Нотт Д ж. Ф. «Металлургия», 1978.  

Заключение

Вязкость  разрушения зависит от многих параметров, и зачастую найти значение вязкости для материала в том или  ином его приложении непросто. Накопление данных о вязкости разрушения в справочниках в настоящее время еще продолжается; имеется всего несколько полезных руководств В литературе рассматриваются процессы разрушения в различных материалах.