Как и почему материал ломается?

Как и почему ломается материал?

Все инженерные сооружения, от зубчатых колес и клапанов до зданий и мостов, должны быть спроектированы таким образом, чтобы они функционировали безопасно и эффективно. Отказ даже в самом маленьком компоненте часто может иметь катастрофические последствия.

Ключ к предотвращению разрушения обычно начинается с понимания концепций, лежащих в основе разрушения материала. Поэтому для инженеров-конструкторов важно иметь достаточные знания о разрушении материалов и механике разрушения.

Что такое разрушение материала?

Разрушение – это разделение материала на две или более частей под действием приложенного напряжения. Материал может подвергаться одному из двух основных типов разрушения в зависимости от его механических свойств: пластичному и хрупкому.

Материалы, подвергающиеся вязкому разрушению, сначала испытывают пластическую деформацию , т. е. материал сопротивляется разрушению за счет собственного растяжения.

Представьте, что вы тянете за два конца полиэтиленового пакета. Пакет значительно растягивается, прежде чем в конце концов порвется. Эта пластическая деформация, которая не ограничивается полимерами, она также наблюдается в металлических сплавах.

С другой стороны, материалы, подверженные хрупкому разрушению, будут разрушаться с незначительной пластической деформацией.

Независимо от типа разрушения, при разрушении материал испытывает:

• Образование трещины, где начинаются все трещины,
• Распространение трещины в ответ на приложенное напряжение

При вязком изломе эта трещина устойчива, т. е. она будет подвергаться непрерывной деформации, распространяясь только при приложении большего напряжения.

Таким образом, пластичные материалы, как правило, будут значительно прогибаться, прежде чем они разрушатся, таким образом предупреждая, прежде чем они полностью разрушатся.

С другой стороны, когда трещины образуются при хрупком разрушении, они распространяются по материалу мгновенно; таким образом, разлом может произойти практически без предупреждения.

Это одна из характеристик, которая делает хрупкое разрушение очень неприятным, особенно в таких при строительство зданий.

Механика хрупкого и вязкого разрушения

Углубимся в механику этих двух типов разрушения и рассмотрим некоторые из наиболее распространенных способов испытания материала на разрушение в лабораторных условиях.

Вязкий излом (чашевидно-конусный излом)

Большинство металлов и металлических сплавов пластичны по своей природе. Одной из основных характеристик вязкого разрушения является явление, известное как образование шейки. Во время образования шейки поперечное сечение материала постепенно уменьшается, прежде чем произойдет разрушение.

Разделенные концы разрушенного материала принимают вогнутую и выпуклую форму. Поэтому вязкое разрушение обычно называют чашечно-конусное разрушение.

1. Пластичный материал подвергается сужению
2. Микропоры начинают формироваться перпендикулярно направлению напряжения
3. Микропоры сливаются, образуя трещину.
4. Трещина распространяется
5. Материал в конечном итоге разрушается (формируются чаша и конус вверху и внизу соответственно).

Хрупкий излом

При хрупком разрушении заметной деформации не наблюдается, так как распространение трещины происходит мгновенно. Это распространение почти полностью перпендикулярно направлению растягивающего напряжения по сравнению с вязким разрушением, при котором образуются чашеобразные и конусообразные формы.

Хотя хрупкий излом имеет характерную форму, разные материалы могут обладать уникальными характеристиками. Например, в хрупкой стали V-образные отметины обычно находятся в центре поперечного сечения излома.

С другой стороны, для аморфных материалов, таких как керамические стекла, поверхность излома поперечного сечения может иметь гладкий, блестящий вид.

Факторы, влияющие на разрушение материала

Инженеры должны понимать механику различных типов трещин, чтобы правильно выбирать материалы и смягчать последствия потенциальных катастрофических отказов. Некоторые из критических факторов, влияющих на разрушение материала, включают:

Концентраторы напряжения

Для большинства хрупких материалов измеренная прочность на излом намного ниже, чем теоретическое значение, основанное на энергиях связи атомов в материале.

Это связано с наличием микроскопических трещин и других изъянов в поперечном сечении материала. Следовательно, эти концентраторы напряжения должны учитываться при расчете прочности на разрыв.

Также следует учитывать место приложения нагрузки. Рассмотрим цилиндрический материал с вытянутой трещиной (дефектом) в поперечном сечении.

Максимальное напряжение, которое он может выдержать, прежде чем оно подвергнется разрушению, измеряется на вершине трещины и зависит от приложенного напряжения и физических свойств трещины. Однако приложение нагрузки вдали от трещины может изменить измеренную прочность на излом.

Прочность на излом

Вязкость разрушения – это сопротивление материала приложенному напряжению при наличии трещины. Этот параметр зависит от:

• Критическое напряжение для распространения трещины
• Длина трещины
• Геометрия трещин

Для тонких образцов вязкость разрушения также зависит от их толщины. Однако в толстых материалах вязкость разрушения становится менее важным фактором.

Как оценить работоспособность металла под нагрузкой и его склонность к хрупкому разрушению?

Двумя наиболее часто используемыми испытаниями на удар являются испытание на удар по Шарпи и испытание на удар по Изоду.

Для проведения этих испытаний к маятнику прикрепляют молоток, который прикладывает силу удара к испытуемому образцу. Молоток сначала поднимают в исходное положение, а затем отпускают, ударяя по образцу во время его движения вниз.

Поскольку часть энергии молотка поглощается образцом, маятник качается на меньшую максимальную высоту в противоположную сторону.

Разница между максимальной высотой молотка до и после удара по образцу используется для расчета энергии удара. Единственная разница между Шарпи и Изодом заключается в способе нагружения образца.

Заключение

Разрушение — это просто разделение материала на несколько частей из-за приложенного напряжения. Изломы подразделяются на два основных типа: вязкие изломы и хрупкие изломы. Тип разрушения, которому подвергается материал, зависит в основном от его способности деформироваться до того, как он расколется.

Для обеих этих трещин разрушение начинается с образования трещины, которая прогрессирует до распространения трещины и, в конечном итоге, разделения.

Для инженеров и проектировщиков крайне важно понимать механизм разрушения материалов, чтобы гарантировать, что выбранные материалы будут работать должным образом в заданной среде.

Как и почему металл ломается?