Строение изломов деталей

4.1. Введение

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 относительно большую площадь, чем на изломах болтов, разрушенных на установке с большим запасом упругой энергии (рис. 7). 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. 7. Изломы болтов из стали 30ХГСА, разрушенных при испы-тании на растяжение с кручением на установках: а- с малым запасом упругой энергии; б- с большим запасом упругой энергии, х 5.

Локальность процесса разрушения всегда является высокой (во всяком случае, по сравнению с локальностью предшествующей упругой и пластической деформации), так как определяется формой растущей трещины. Степень же локальности пластических про­цессов, сопровождающих разрушение, может быть весьма различной: от очень малой при осевом растяжении пластичных материалов, когда деформируемый объем в шейке соизмерим с рабочим объемом образца, до очень высокой вблизи вершины трещины, быстро расту­щей в α-железе при низких температурах.

4.2. Изломы при однократномнагружении. Хрупкие и полухрупкие изломы

В соответствии с различными стадиями распространения тре­щины в материале хрупкий излом можно разделить на несколько основных зон.

1. Фокусизлома — микрозона, в которой начинается раз­рушение и из которой оно затем распространяется. Расположение фокуса (обычно на поверхности детали или образца) и само наличие фокуса ясно указывает на неодновременность процесса разрушения, так как очевидно, что в случае одновременного разрушения всего сечения образца фокус в изломе должен был бы отсутствовать.

Так же как и другие виды изломов, хрупкий излом однократ­ногонагружения может иметь несколько и даже множество фокусов.

По-видимому, чем выше скорость возникновения фокусов и чем меньше скорость распространения трещин, тем большее число фоку­сов будет наблюдаться на изломе.

Образование фокуса гораздо сильнее, чем образование первой и особенно второй зоны излома зависит от физического и геометри­ческого состояния поверхности образца или детали, поскольку поверх­ность является местом наиболее вероятного нахождения дефектов, оказывающих существенную роль в процессе хрупкого разрушения. Так, А. Смекаль, анализируя результаты испытаний на изгиб нескольких сотен стеклянных палочек, установил, что место начала разрушения хрупких тел определяется не только распределением напряжений от внешних сил, но и расположением дефектных мест.

На обычных статических испытательных машинах нагрузка, соответствующая возникновению фокуса (начало разрушения), не от­мечается и потому величина этой нагрузки остается пока неизвестной.

2. Первая зона соответствует начальной стадии сравни­тельно медленного развития начавшейся в фокусе трещины. Обычноэта зона более гладкая, чем остальная поверхность излома: у неорганических и некоторых видов органических стекол она имеет зер­кальный блеск и носит название «зеркало» излома (рис. 8). Очаг разрушения который показан на фигуре стрелкой, представляет собой «зеркало» излома.

Рис. 8. Излом стеклянного образца, х 5

С ростом пластичности материала (для неоднородных материалов— микропластичности) его чувствительность к трещинам, а также к внецентреннемунагружению при неосесимметричном развитии разрушения обычно падает и поэтому относительная площадь первой зоны растет. Это наблюдается, например, при повышении темпе­ратуры испытания органического стекла.На существующих статических испытательных машинах и при­борах нагрузки, соответствующие появлению и развитию первой зоны, также не отмечаются.

3. Вторая зона (зона долома) — соответствует очень бы­строму, «лавинному» распространению трещины до полного разде­ления образца на две или более частей со скоростью, соизмеримойскорости звуковых колебаний.Заметная граница между первой и второй зонами на изломе в виде резкого изменения строения поверхности или каких-либо линий имеется только на очень хрупких изломах (рис. 9), а также на изломах замедленного разрушения.

Рис. 9. Хрупкий излом кольца подшипника

Максимальная нагрузка, часто неверно называемая разрушающей,, фиксируется статическими испытательными машинами и прибли­зительно соответствует границе между первой и второй зонами; излома. Запаздывание регистрируемой нагрузки вследствие инерции машины и силоизмерительных приборов зависит от скорости раз­рушения и других факторов.

Н. Вальнерпроанализировал имеющиеся на поверхности изло­мов стекол криволинейные следы, располагающиеся вокруг центра разрушения (рис. 10).

Рис. 10. Излом стеклянного образца с линиями Вальтера на поверхности (а) и схема образования этих линий (б): В- дефект, являющийся очагом разрушения; S – какой-либо дефект, лежащий на поверхности у сечения излома стеклянной палочки диаметромD; F0 –положение фронта излома в момент встречи его с дефектом S; FА – положение фронта излома в момент достижения им точки A; L- линия Вальтера.

Специальные опыты с образцами, имеющими на поверхности искусственные дефекты, а также наблю­дения за влиянием внутренних дефектов позволили выяснить проис­хождение линий Вальнера. В момент достижения фронтом излома дефекта 5 последний распространяет вокруг себя упругую волну, идущую со скоростью звука в данной среде. При встрече распро­страняющихся от дефекта упругих колебаний и фронта излома, последний будет отклоняться. Искажение фронта трещины выра­жается в образовании на поверхности излома криволинейного бугорка или впадины.

Размеры структурных составляющих, по которым происходит хрупкое разрушение, могут определять размер кристаллических фасеток в изломе. Так, в углеродистых сталях, имеющих ферритную структуру, величина кристаллических фасеток в изломе определяется размером ферритных зерен. Если структура стали состоит из коло­ний перлита и зерен феррита, кристаллические фасетки в изломе связаны с разрушением почти недеформирующихся зерен перлита. Такой вывод был получен из сопоставления геометрических линей­ных размеров фасеток и перлитных зерен.

Поскольку хрупкие разрушения весьма чувствительны к кон­центраторам напряжений, располагающимся большей частью на по­верхности деталей, очаг хрупкого излома также обычно расположен у поверхности. (На рис. 11 очаг разрушения показан стрелкой).

Рис. 11. Хрупкий излом детали из стали 30ХГСА, возникший в эксплуатации

Хрупкий излом покрыт рубцами, расходящимися веерообразно из очага разрушения в направлении развития трещины. В месте возникновения разрушения рубцы бывают очень мелкими и тон­кими, в зоне окончательного «долома», во второй зоне, они стано­вятся грубее, приобретая вид «заноз», иногда отстающих от основ­ного материала. Характерное направление рубцов от фокуса излома позволяет установить место зарождения трещины.

В случае, если разрушение от действия растягивающей нагрузки начинается от поверхности, что у хрупких материалов наиболее часто встречается, на изломе, как правило, имеется один или неболь­шое количество очагов разрушения. При действии изгибающей нагрузки на изломе у поверхности детали, как правило, имеется несколько мелких очагов разрушения, разделенных друг от друга «ступеньками», или целая зона начального разрушения, чаще всего в виде серпа или лунки (рис. 12).

На изломах изгиба также имеются линии, аналогичные линиям изломов от растяжения — рубцы или лучи. Отчетливее всего эти рубцы заметны на полухруп­ких изломах. Очень хрупкие изломы при изгибе, так же как и при растяжении, имеют более изотропное строение.

Рис. 12. Поверхность (а) и схема (б) хрупкого излома болта из стали 30 ХГСА (σb = 120 кГ/мм2).

Хрупкие изломы при изгибе образцов фосфористого железа при температуре —196°, имели блестящий участок, расположенный в сжатой зоне. Поверхность этого участка была более блестящая, чем фокус излома. Величина участка различна в зависимости от формы образ­цов: у круглых ненадрезанных образцов она составляла примерно 1/3 сечения, у надрезанных призматических образцов этот участок имел форму узкой каемки у поверхности. Хотя эти участки и имеют блестящий вид, но по своему строению они не могут быть отнесены к кристаллическим участкам, так как поверхность их несколько «замазана», вместе с тем они непохожи на шелковистые изломы среза. Такие изломы имеют материалы, претерпевшие в процессе разру­шения пластическую деформацию сжатия. Наличие указанных участков свидетельствует о том, что хрупкое разрушение в металле распространяется с какой-то конечной скоростью и проходит за время, достаточное для протекания некоторой пластической деформации.

При растяжении с изгибом образцов или деталей, имеющих прямо­угольное сечение, в случае полухрупкого разрушения возникают шевронные изломы (рис. 13). Рисунок шеврона на по­верхности излома представляет собой сочетание ряда гипербол при поступательном перемещении центра излома.

При сжатии разрушение может начаться по поверхности действия наибольших касательных напряжений и далее развиваться по по­верхности действия наибольших растягивающих удлинений.

Рис. 13. Шевронный излом кольца подшипника из стали ШХ15, х 15

Разру­шения такого вида часто наблюдаются на шариках подшипников. При осевом сжатии прочных материалов с малой пластичностью разрушение происходит почти целиком по поверхности действия наибольших растягивающих удлинений (рис. 14).

Рис. 14. Разрушение при сжатии хрупкого металлокерамического фрикционного сплава ФМК

Трудно назвать области техники, где бы практически не сущест­вовало возможности появления хрупких разрушений. Хрупкие раз­рушения могут возникать в процессе изготовления деталей: флокены, закалочные трещины, сварочные трещины, хрупкие трещины в про­цессе травления и наводороживания, при гальванических покрытиях, образование трещин при контакте с жидкими металлами и т. д.