Кинетика замедленного разрушения и прогнозирование долговечности высокопрочных сталей в водородсодержащих средах

СОДЕРЖАНИЕ
2
ВВЕДЕНИЕ...........................................................6
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..............................................16
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЗАМЕДЛЕННОМ РАЗРУШЕНИИ И ВОДОРОДНОМ ОХРУПЧИВАНИИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ............................................19
1.1. Современные представления о видах разрушения материалов... 19
1.2. Основные подходы к решению проблемы разрушения материалов ... 25
1.2.1. Кинетический подход.................................25
1.2.2. Статистический подход...............................31
1.2.3. Синергетический и фрактальный подходы...............40
1.3. Общие закономерности и механизмы замедленного разрушения высокопрочных сталей...........................................49
1.4. Водородное охрупчивание деформированных высокопрочных сталей.........................................................54
1.4.1. Взаимодействие водорода со сталями..................54
1.4.2. Классификация видов водородной хрупкости металлов и сплавов.....................................................57
1.4.3. Обшие закономерности и механизмы замедленного разрушения высокопрочных сталей при воздействии водорода....................................................62
1.4.4. Факторы, определяющие процесс замедленного разрушения высокопрочных сталей в водородсодержащих средах.............73
Выводы по первой главе..........................................79
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................................80
2.1. Характеристика исследуемых сталей..........................80
2.2. Методика ускоренных лабораторных испытаний высокопрочных сталей на длительную прочность в водородсодержащих средах......88
2.3. Метод релаксации напряжений................................98
з
2.4. Методы исследования водородопроницаемости сталей и определения
количества абсорбированного металлом водорода.............1 03
Выводы по второй главе........................................109
3. КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ СУБМИКРОТРЕЩИН ПРИ
ЗАМЕДЛЕННОМ РАЗРУШЕНИИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ В ИНАКТИВНОЙ И ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДАХ.....................111
3.1. Зарождение разрушения в деформированных металлах
при воздействии инактивной и водородсодержащей сред......111
3.1.1. Классификация трещин по размерам в кристаллических материалах...............................................111
3.1.2. Механизмы зарождения субмикротрещин в деформированных металлах для инактивной среды............................113
3.1.3. Дискретно-континуальная дислокационная модель образования зародышей разрушения в деформированных металлах для инактивной среды........................................ 118
3.1.3.1. Дискретно-континуальная модель дислокационного скопления............................................118
3.1.3.2. Образование зародышевой дислокационной трещины..............................................123
3.1.3.3. Образование субмикротрещины.................126
3.1.4. Дислокационно-декогезионная концепция влияния водорода на образование зародышей разрушения в деформированных металлах............................................... 129
3.2. Кинетика образования субмикротрещин в деформированных высокопрочных сталях для инактивной среды....................132
3.3. Кинетика образования субмикротрещин в деформированных высокопрочных сталях при воздействии водорода................143
3.4. Влияние остаточных напряжений первого рода на зарождение разрушения в деформированных высокопрочных статях........... 152
Выводы по третьей главе.......................................157
4
4. КИНЕТИКА НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОСТИ И РОСТА ТРЕЩИН НА МИКРО-, МЕЗО- И МАКРОУРОВНЯХ. СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАМЕДЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ...........................................................160
4.1. Кинетика накопления поврежденности на микроуровне и зарождения микротрещин....................................................160
4.2. Кинетика накопления поврежденности на мезоуровне и зарождения макротрещин....................................................171
4.3. Кинетика субкритического роста макротрещин................181
4.4. Синергетическая модель замедленного разрушения высокопрочных сталей в водородсодержащих средах..............................191
Выводы по четвертой главе......................................202
5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ........................................................204
5.1. Феноменологическое определение долговечности деформированных высокопрочных сталей в водородсодержащих средах................204
5.2. Определение параметров синергетической модели замедленного разрушения высокопрочных сталей при воздействии водорода
на основе опытных данных...................................208
5.2.1. Определение характеристик трещиностойкости.........208
5.2.2. Определение коэффициентов диффузии водорода в
сталях...............................................216
5.2.3. Исследование влияния степени наводороживания на содержание водорода в высокопрочных сталях................222
5.2.4. Исследование влияния водорода на пластичность высокопрочных сталей......................................226
5.2.5. Определение предельной плотности субмикротрещин и критического изменения объемной энергии микроструктуры............................................235
5
5.3. Определение критических значений концентрации водорода в
деформированных высокопрочных сталях.......................238
5.4. Прогнозирование долговечности деформированных высокопрочных
г*то пой ппи олотгайлтоип олплг\лпо ио ллилвА лиилпготииолчлли ШЛКАЧи
V1UVXVIX XXL/IX 1 UX1I1 X X W4 Ч/VXXVUV VITtlVpi Vlfl IVViNV/n mv^VrfUi
замедленного разрушения и ускоренных лабораторных испытаний......................................................................242
5.5. Практические рекомендации по использованию результатов исследования....................................................252
Выводы по пятой главе..............................................................261
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................264
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................269
ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................298
ВВЕДЕНИЕ
6
Одной из важнейших научно-технических проблем физики твердого тела является развитие представлений о кинетике разрушения и прогнозирование на этой основе долговечности высокопрочных сталей, находящихся под воздействием растягивающих напряжений и агрессивной среды. Опаснейшим видом повреждений оборудования в химической, газонефтедобывающей, металлургической, машиностроительной, судостроительной и других отраслях промышленности является водородное охрупчивание (ВО) деформированных сталей. В частности, к огромному материальному ущербу и многочисленным людским жертвам может привести водородное растрескивание напряженной арматуры в железобетонных изделиях и элементах металлических конструкций промышленных и гражданских сооружений [1-3].
Как известно, все металлы окклюдируют водород из электролитов, газовой среды, при трибохимических процессах, а также при производстве и обработке металла. Для сталей повышенной и высокой прочности характерно замедленное (задержанное) разрушение в отсутствии или при наличии агрессивной среды. Анализ случаев обрушений и специальные исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, показали, что практически все применяемые высокопрочные стали склонны в той или иной степени к коррозионному растрескиванию (КР) и водородному охрупчиванию (ВО), причем на основе систематического анализа причин аварийного выхода из строя различных конструкций установлено, что значительная часть разрушений обусловлена водородом. При этом следует учитывать, что разрушение в результате ВО является наиболее опасным, так как наступает через более короткий период времени по сравнению с КР.
Увеличение производства предварительно напряженного железобетона и его широкое применение в гражданском и промышленном строительстве, а также при возведении различных инженерных сооружений потребовало применения арматурных сталей повышенной и высокой прочности, позво-
ляющих снизить металлоемкость железобетонных конструкций. Замена обычной арматурной стали на высокопрочную позволяет экономить от 30 до 40 % металла, что является весьма актуальным решением, так как арматурная сталь, в отличие от других видов проката, не возвращается в баланс металла страны [4]. Однако, наличие высоких растягивающих напряжений в рабочей арматуре и водородсодержащих сред, в которых эксплуатируются железобетонные конструкции на химических, металлургических и других предприятиях, создает предпосылки для зарождения и развития особого вида разрушения - водородного растрескивания. В плотном бетоне при достаточной толщине защитного слоя арматура не подвергается водородному охрупчиванию в течение длительного срока эксплуатации. В реальных конструкциях в защитном слое бетона имеются трещины, раковины и каверны, возникающие в процессе изготовления и эксплуатации конструкций, которые исключают полную защиту напряженной арматуры от воздействия водородсодержащих сред. Известен ряд случаев, когда разрывы высокопрочной арматуры произошли из-за недоброкачественного бетона и водородного охрупчивания. Поэтому одним из основных факторов, ограничивающих применение высокопрочной арматурной стали, является преждевременное разрушение конструкций в результате водородного растрескивания арматуры [5]. Следует также иметь в виду, что в настоящее время в силу целого ряда причин технического, экономического и экологического характера намечается тенденция к значительному увеличению потребления водорода в мировой экономике для самых различных нужд. Таким образом, особое значение приобретает проблема обеспечения долговечности предварительно напряженных железобетонных конструкций в средах, вызывающих наво дорожи ван ие, для решения которой требуется изучение кинетики водородного растрескивания деформированных высокопрочных сталей. Трудности решения проблемы деградации деформированных металлов под воздействием водорода связаны со сложностью процесса разрушения, характеризуемого стадийностью, скачкообразностью, многомасштабносгью, стохастичностью, фрактальностью, а также не-
8
обходимостью учета влияния на механические свойства материалов внешних факторов (уровня напряжения, температуры, вида нагружения, размеров образца, состояния поверхности, степени агрессивности окружающей среды и Т. д.).
Замедленное разрушение (статическая водородная хрупкость) по классификации [6] относится к обратимой водородной хрупкости шестого вида и представляет наиболее сложное явление, связанное с влиянием водорода на механические и служебные свойства металла. Изучению этого вида водородной хрупкости, которую многие авторы считают «истинной», посвящено большое количество работ и монографий - Г. В. Карпенко, И. И. Василенко, Ф. Ф. Ажогина, Б. А. Колачева, А. Ф. Фишгойта, О. Н. Романива, В.
В. Панасюка, А. Е. Андрейкива, В. С. Харина, М. М. Шведа, Я. М. Потака, В. И. Саррака, Г. А. Филиппова, Л. И. Грибановой, Н. Н. Сергеева, В. М. Мишина, Ван Леувена, Н. Петча, А. Трояно, П. Бастьена и других авторов. Однако до настоящего времени не удалось создать единую теорию водородного охрупчивания, позволяющую прогнозировать долговечность высокопрочных сталей в водородсодержащих средах. Существующие теоретические модели, рассматривающие, как правило, отдельные стадии разрушения, не в состоянии учесть значительную часть экспериментально наблюдаемых эффектов. Теоретические выводы и практические рекомендации, полученные во многих исследованиях, относятся к специальным случаям и группам сплавов в специфических условиях их эксплуатации, что затрудняет использование этих результатов в каждом конкретном случае. Основными причинами создавшегося положения являются отсутствие достаточно полной и непротиворечивой теории взаимодействия водорода с атомами кристаллической решетки и дефектами строения металлов и отсутствие законченной физической модели разрушения. Особую сложность представляет анализ мезоскопического уровня разрушения, связанного с процессом накопления поврежденности материала дефектами малых размеров, к которым не могут быть применены методы линейной механики разрушения. В этой связи чрезвычайно актуальным
9
является построение модели стадийного и многомасштабного процесса разрушения, позволяющей учитывать те параметры материала, которые контролируют протекание процесса и на которые влияет взаимодействующий с металлом водород.
Водород обладает специфическими свойствами, связанными с его высокой подвижностью в металлах и легкостью перераспределения под действием градиента напряжений, температур и электрических потенциалов, что делает возможным критическое обогащение локальных объемов деталей и элементов конструкций водородом, хотя его среднее содержание в металле заведомо меньше тех концентраций, при которых возможно развитие водородной хрупкости. Это позволяет использовать водородсодержащие среды для имитации в лабораторных условиях различных эксплуатационных ситуаций, приводящих к разрушению. Построение модели замедленного разрушения в совокупности с натурными и ускоренными лабораторными испытаниями делает возможным решение актуальной проблемы прогнозирования долговечности высокопрочных сталей в конкретных условиях эксплуатации, связанных с наводороживающими средами.
Ниже приводится блок-схема, которая отражает структуру диссертации.
Цель диссертационной работы состояла в разработке теоретических основ и построении модели процесса замедленного разрушения высокопрочных сталей и создании на этой основе методологии прогнозирования долговечности в условиях воздействия растягивающих напряжений и наводорожи-вающих сред.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Разработка реологических моделей образования субмикрогрещин при замедленном разрушении высокопрочных сталей для инактивной и во-дородсодержащей сред.
2. Установление критических условий (пороговые и остаточные напря-
10
11
жения, содержание водорода в металле и др.), инициирующих процесс замедленного разрушения высокопрочных сталей в инактивной и водородсодержащей средах.
3. Установление закономерностей процесса накопления поврежденно-сти и роста трещин на микро-, мезо- и макроуровнях при замедленном разрушении высокопрочных сталей в водородсодержащих средах.
4. Разработка синергетической модели замедленного разрушения высокопрочных сталей при воздействии водорода, учитывающей стадийность, многомасштабность, стохастичность и фрактальность процесса разрушения, и определение ее параметров на основе опытных данных.
5. Разработка аналитического метода определения предельного содержания водорода в сталях, превышение которого приводит к их замедленному разрушению, на основе установления критериев водородного охрупчивания деформированных металлов на мезо- и макроуровнях.
6. Экспериментальная проверка результатов теоретического анализа и численного моделирования стадийности процесса водородного охрупчивания и длительной прочности высокопрочных статей по результатам ускоренных и натурных испытаний.
7. Разработка методологии прогнозирования долговечности высокопрочных сталей в условиях воздействия растягивающих напряжений и наво-дороживающих сред на основе синергетической модели замедленного разрушения и результатов ускоренных лабораторных и натурных испытаний.
Основные результаты работы, представляющие научную новизну:
1. Реологические модели процесса образования субмикротрещин при замедленном разрушении высокопрочных сталей для инактивной и водородсодержащей сред.
2. Аналитические зависимости для пороговых напряжений, превышение которых инициирует процесс замедленного разрушения высокопрочных сталей в инактивной и водородсодержащей средах, от характеристик напряженного состояния материала, его упругих свойств и содержания водорода.
12
3. Реологические уравнения для плотности субмикро- и микротрещин, образующихся в процессе замедленного разрушения, полученные на основе использования кривых релаксации напряжений.
4. Представление инкубационного периода (времени до зарождения макротрещины) в виде двух последовательных стадий, отличающихся ведущим механизмом разрушения, - стадии зарождения и слияния субмикротрещин на микроуровне и стадии роста и слияния микротрещин на мезоуровне.
5. Впервые разработана синергетическая модель замедленного разрушения высокопрочных сталей под воздействием водорода, которая позволила связать физико-механические свойства сталей и кинетику' поврежденности при стадийном и многомасштабном разрушении с параметрами порядка в точках, соответствующих изменению механизма разрушения.
6. Установлены в качестве критических значений параметров порядка три инвариантных показателя, первый из которых характеризует переход процесса разрушения с микро- на мезоуровень, второй - с мезо- на макроуровень, третий - глобальную нестабильность, приводящую к разрушению.
7. Разработана методика аналитического определения содержания водорода на поверхности образца в зависимости от плотности тока катодной поляризации при электролитическом наводороживании.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Реологические модели процесса образования субмикротрещин при замедленном разрушении высокопрочных сталей для инактивной и водородсодержащей сред.
2. Аналитические зависимости для пороговых напряжений, превышение которых инициирует процесс замедленного разрушения высокопрочных сталей в инактивной и водородсодержащей средах, от характеристик напряженного состояния материала, его упругих свойств и содержания водорода.
3. Реологические зависимости для плотности субмикро- и микротрещин, образующихся в процессе замедленного разрушения, на основе использования кривых релаксации напряжений,
13
4. Синергетическая модель замедленного разрушения высокопрочных сталей под воздействием водорода, учитывающая стадийность, многомас-штабность, стохастичность и фрактальность процесса разрушения.
5. Установление инвариантных показателей процесса замедленного разрушения в критических точках, соответствующих изменению механизма разрушения. Эти показатели являются критическими значениями параметров порядка синергетической модели и характеризуют переход процесса разрушения с микро- на мезоуровень и с мезо- на макроуровень.
6. Методы аналитического определения содержания водорода на поверхности образца в зависимости от плотности тока катодной поляризации при электролитическом наводороживании и предельного содержания водорода в сталях, превышение которого приводит к их замедленному разрушению.
7. Теоретическое обоснование возможности прогнозирования долговечности высокопрочных сталей в эксплуатируемых средах, вызывающих наводороживание, на основе синергетической модели замедленного разрушения и результатов ускоренных лабораторных и натурных испытаний.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается согласованностью результатов комплексного использования теоретических и экспериментальных исследований, экспериментальной проверкой модельных представлений, сопоставлением с результатами исследований других авторов, признанием полученных результатов на различных международных и отечественных конференциях.
В качестве основных объектов исследования в данной работе были выбраны наиболее распространенные марки арматурной стали разного класса прочности (20ХГ2Ц, 23Х2Г2Т, 20ГС2), применяемые для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций, а также среднелегированная конструкционная сталь ЗОХГСА.
Достижение поставленной в работе цели потребовало применения различных теоретических и экспериментальных методов исследования.
14
Теоретические методы основаны на структурно-кинетической теории, дискретно-континуальной и гетерогенной теориях образования зародышей разрушения, дислокационно-декогезионной теории влияния водорода на разрушение деформированных материалов, теории повреждаемости, синергетике, фрактальном анализе и математической статистике. Экспериментальные методы включают: металлографические исследования; механические испытания на одноосное растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре с записью кривых растяжения, по которым определялись стандартные характеристики механических свойств образцов; ускоренные лабораторные испытания на рычажной установке разработки ТГПУ им. Л. Н. Толстого длительной прочности гладких и натурных образцов при растягивающих статических напряжениях и электролитическом наводороживании в водном растворе серной кислоты Н2804 (4,5 % ) с добавкой родонита аммония ЫН4СЫ8 (2,5 % ) при различной плотности тока катодной поляризации; исследование релаксационной стойкости высокопрочных сталей в инактив-ных и наводороживающих средах при одноосном напряженном состоянии на рычажной установке разработки ТГПУ им. Л. Н. Толстого, работающей по компенсационному принципу сброса нагрузки; методы исследования водо-родопроницаемости сталей и определения количества абсорбированного ими водорода, основанные на использовании специальной электролитической ячейки для определения диффузионного потока водорода через стальные мембраны-катоды, и методов вакуум-экстракции, вакуум-плавления и анодного растворения; стандартные методики исследования трещиностойкости сталей; исследование влияния водорода на характеристики пластичности сталей.
Практическая значимость работы заключается в том, что представленные в ней результаты составляют теоретическую основу для прогнозирования долговечности работы деталей и конструкций из высокопрочных сталей в условиях водородного охрупчивания. Разработанная синергетическая модель расширяет представление о механизме замедленного разруше-
15
ния, что позволяет учесть влияние различных факторов на физикомеханические и эксплуатационные характеристики сталей при их разработке и оптимизации технологических режимов производства.
Установленные уровни пороговых растягивающих напряжений, инициирующих процесс замедленного разрушения, и предельного содержания водорода в сталях, превышение которого приводит к разрушению, имеют не только научное, но и практическое значение, позволяющее конструкторам выбирать необходимые прочностные и эксплуатационные характеристики высокопрочных материалов, работающих в условиях растягивающих напряжений и наводороживания.
Результаты исследования внедрены в учебный процесс Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого при проведении научных работ аспирантами и студентами.
Работа выполнена в Тульском государственном педагогическом университете им. Л. Н. Толстого при поддержке грантов губернатора Тульской области в сфере науки и техники за 2004 (договор № 65-К-9/209 от 09.02.2004, тема «Разработка методики прогнозирования долговечности железобетонных строительных конструкций») и 2005 гг. (договор № 65-12-1/1888 от 03.11.2006, тема «Прогнозирование долговечности деформированных высокопрочных сталей в водородсодержащих средах»).
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.т.н., с.н.с., профессору Н. Н. Сергееву за консультации и постоянное внимание к работе.
16
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
^ - время
1Мик> *меэ> КРт ~ длительности процесса разрушения на микро-, мезо- и макроуровнях
1р - время до разрушения (долговечность)
с7 - растягивающее напряжение
сгя - локальное растягивающее напряжение
г - сдвиговое напряжение
т1 - сопротивление трения решетки
т = г - г,. - эффективное сдвиговое напряжение <7Г - предел текучести °о,г ” условный предел текучести ан - ударная вязкость Е - модуль Юнга С - модуль сдвига V - коэффициент Пуассона - относительное удлинение ¥с> ¥ ~ равномерная и полная относительные поперечные деформации ек - деформация разрушения к - постоянная Планка к - постоянная Больцмана N А - число Авогадро
Ум - молярный объем
Ун - парциальный молярный объем
Я - универсальная газовая постоянная
Т - абсолютная температура
а - параметр решетки
рп - поверхностная энергия
17
у р - энергия пластической деформации Ог - фрактальная размерность д - раскрытие трещины
дк9 $кн ~ раскрытия трещины в инактивной среде и при воздействии водорода
К[с - вязкость разрушения в условиях плоской деформации (критическое значение коэффициента интенсивности напряжений)
К\Нс ~ критическое значение коэффициента интенсивности напряжений при воздействии водорода
Он - коэффициент диффузии водорода в металле Он - эффективный коэффициент диффузии водорода в металле Сн - концентрация диффузионно подвижного водорода в металле Ся - средняя по макрообъемам концентрация диффузионно подвижного водорода в металле
Сяр - предельное содержание водорода в металле
¥РС - предельная плотность энергии пластической деформации
уп - относительная податливость образца
V - энергия активации (кинетическая энергия) процесса разрушения аа - активационный объем
о, со = 1 - со - параметры сплошности и повреждаемости материала р - плотность дислокаций
Рсуб' Рмик И Рмак - плотности субмикро-, микро-и макротрещин Д/^, - энергии образования субмикро- и микротрещины
Аиф - изменение объемной энергии микроструктуры у - деформация
1¥с, и Wyn - плотности энергии предельной, пластической и упругой деформаций
18
Ь - модуль вектора Бюргерса п - мощность дислокационного скопления Ь - расстояние между ведущими дислокациями скопления 5 -энтропия
с1т - размер пластической зоны
с1% - критический размер пластической зоны
77 - коэффициент вязкости в модели релаксации Максвелла
V - скорость распространения трещины
гшк, умшс - скорости распространения микро- и макротрещины
Л5, Аа., А¥ и Ап - феноменологические константы модели разрушения
19
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЗАМЕДЛЕННОМ РАЗРУШЕНИИ И ВОДОРОДНОМ ОХРУПЧИВАНИИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ
1.1. Современные представления о видах разрушения материалов
В настоящее время, несмотря на многочисленные попытки, еще не разработана стройная классификация видов разрушения. В результате один и тот же тип разрушения имеет несколько названий, основанных на различных классификационных признаках. В таблице 1.1 приведена наиболее распространенная классификация по некоторым признакам [34, 35, 258], которая далеко не исчерпывает имеющихся названий типов разрушения.
Таблица 1.1
Классификация основных видов разрушения
Классификационный признак Вид разрушения
Степень пластичности Хрупкое, вязкое, квазихрупкое, квазивязкое
Условия нагружения Устатостное, ползучесть, статическое (кратковременное, длительное) и др.
Структурный фактор Транскристаллитное, интеркристаллитное, смешанное
Напряженное состояние Отрыв, срез
Кинетика процесса Замедленное (стабильное), нестабильное
Локачьность разрушения Субмикроскопическое, микроскопическое (мезоскопическое), макроскопическое
Степень развития разрушения Начальное (неполное), развитое (в том числе полное)
Влияние внешней среды Вызванное коррозией, понижением поверхностной энергии, облучением и др.
Трудности классификации видов разрушения связаны с неопределенностью и многообразием классификационных признаков и сложностью взаимосвязи процессов деформации и разрушения. Остается дискуссионным и вопрос относительно ведущей роли одного их этих процессов при разруше-
20
нии. Многие исследователи считают, что между хрупким и вязким разрушением нет принципиальной разницы, а деление разрушения на хрупкое и вязкое является условным, но необходимым с практической точки зрения [34].
В соответствии с кинетической концепцией С. Н. Журкова [29], процессом, ответственным за временную зависимость прочности, является разрушение, связанное с термофлуктуационным разрывом межатомных связей. В то же время в ряде работ высказана противоположная точка зрения, в соответствии с которой пластическая деформация контролирует разрушение, что и обусловливает временную зависимость прочности твердых тел. Так, авторы работы [316] считают, что пластической деформации принадлежит ведущая роль как в случае вязкого, так и в случае хрупкою разрушения, так как оба вида разрушения различаются только по степени локализации пластической деформации с той лишь разницей, что при вязком разрушении локализация начинается после развития равномерной деформации, а при хрупком разрушении она возникает на ранней стадии деформирования. В другой работе [317] авторы отводят ведущую роль пластической деформации на всех стадиях разрушения, считая, что временная зависимость прочности обусловлена термически активируемым движением дефектов кристаллической решетки. С такой позицией не согласен В. М. Финкель, который в работе [318] делает вывод, что при быстром росте трещины пластическая деформация является сопутствующим процессом.
А. Н. Орлов, В. А. Степанов и В. В. Шпейзман [122] для ответа на вопрос о взаимосвязи процессов пластической деформации и разрушения предложили использовать энергию активации процесса, контролирующего скорость разрушения. Если при разрушении реализуется ведущий процесс с энергией активации, равной энергии разрыва межатомных связей II0 = 11% (энергия сублимации), то возникающая при этом пластическая деформация контролируется разрушением. Если же энергия активации ведущего процесса близка к энергии активации объемной самодиффузии (6го = С/о</7о )> 70 в этом случае пластическая деформация контролирует разрушение. При таком
21
подходе все материалы по степени пластичности (см. табл. 1.1) можно классифицировать следующим образом [34].
При вязком разрушении скорость процесса разрушения на всех стадиях повреждения контролируется пластической деформацией с энергией активации и т0; при хрупком разрушении скорость процесса разрушения на всех стадиях повреждения контролируется разрывом межатомных связей с энергией активации 11%. Квазихрупким следует считать разрушение, скорость которого на стадии зарождения трещины контролируется процессом разрыва межатомных связей с энергией активации 11%, а на стадии распространения -пластической деформацией с энергией активации Цг0. Если же на стадии зарождения трещины скорость процесса разрушения контролируется пластической деформацией Шо = и1\ а на стадии распространения - разрывом межатомных связей (£Уо = £/о)» то такое разрушение следует считать квазивяз-ким.
Для определения характера разрушения твердых тел помимо использования термоактивационных параметров существуют и другие подходы. Из теории вязкохрупкого перехода, разработанной А. Коттрелом и Н. Петчем, следует [319]: если напряжение, необходимое для роста трещины, меньше предела текучести, то имеет место хрупкое разрушение; в противном случае происходит накопление нераспространяющихся зародышей трещин и их объединение, то есть на данной стадии (до образования трещины критического размера) характер разрушения будет вязким.
Г. П. Черепановым [320] показано, что поведение твердого тела можно охарактеризовать единственным безразмерным параметром названным числом хрупкости:
1 = К/1/К°с = 236-(т0-а/ра)'п, (1.1)
где Ки и К% - критические значения коэффициентов интенсивности напряжений, при которых происходят соответственно инициирование пластиче-
22
ской деформации (эмиссия первой пары дислокаций) и инициирование хрупкого разрушения (вязкость разрушения кристалла); т0 - постоянная Шмидта, зависящая от площадки скольжения, температуры, и чистоты кристалла; а -параметр решетки; рп - поверхностная энергия.
При ?j> 1 конец трещины не может служить источником дислокаций, поэтому разрушение будет идеально хрупким. В случае rj< 1 из вершины трещины при нагружении излучаются краевые дислокации, вследствие чего происходит медленное докритическое подрастание трещины. Если //«1 , то число образующихся дислокаций мало и разрушение будет квазихрупким. Условие квазихрупкого разрушения имеет вид [320]
1 >rj>a/lQ9 (1.2)
где /0 - характерный размер дефектов поверхности кристалла. В случае т]~а//0 «1 кристалл будет сверхпластичным, так как в нем невозможен рост трещин.
С позиций синергетики и фрактального анализа характер разрушения определяется видом и фрактальной размерностью диссипативной структуры в зоне предразрушеиия, контролирующей уровень диссипации энергии. При таком подходе вязкохрупкий переход является следствием спонтанной смены диссипативных структур в результате неравновесного фазового перехода при достижении критического состояния решетки в областях аккумуляции избыточной энергии, когда изменение формы уже не может быть компенсировано изменением объема. При переходе от вязкого разрушения к хрупкому происходит изменение вида поверхности разрушения, обусловленное сменой объекта фрактальности и фрактальной размерности D, структуры зоны предраз-
рушения. Последняя, являющаяся одновременно и размерностью самоподобия, определяется на основе анализа Мандельброта из уравнения [155]
ДС''=[(1 + и).(1-2 .к)/Е.(*~)2].р\ (1.3)
23
где АЛ/ - функция самоподобия (Л - масштабный множитель); у - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга; К™3* - размерная постоянная, контролирующая границы автомодельности на данном масштабном уровне; р* - инвариантный комплекс механических свойств:
Р={Кк-<гт?НГс. (1.4)
Здесь К\с - критическое значение коэффициента интенсивности напряжений, сгг - предел текучести, \УС - предельная плотность энергии пластической деформации.
В таблице 1.2 представлена связь видов разрушения по степени пластичности с фрактапьной размерности О г.
Таблица 1.2
Виды разрушения по степени пластичности от фрактальной размерности структуры зоны предразрушения
Вид разрушения Фрактальная размерность Объект фрактал ьности
Квазивязкое Г>;> 3 Разрушенный объем
Вязкое 2<Ог <3 Поверхность разрушения
Вязкохрупкое 1,67 < О} <2 Переход от фрактальной поверхности разрушения к фрактальному фронту трещины
Квазихрупкое \<£>( <2 Переход от фрактального фронта трещины к фрактал ь-ности элементов структуры в изломе
Хрупкое Е) ( < 1 Элементы структуры в изломе
Установлено скачкообразное изменение вида зависимости фрактальной размерности от относительной поперечной деформации при смене
механизма разрушения. При квазихрупком разрушении (1 < В1 < 2) выполняется соотношение
24
£>/=(1 -Ч'с)1¥с> (1-5)
где ^-равномерная относительная поперечная деформация.
При разрушении, контролируемом пластической нестабильностью (2 <Э( < 3 ), имеем следующую зависимость О, от полной относительной
поперечной деформации I//, которая достаточно хорошо согласуется с уравнением (1.3):
= 1/[1,5(1.6)
Как следует из формул (1.5) и (1.6), пороговое значение у/\ = 0,5, при
котором значение Ог скачком изменяется от 1 до 1,67. Диапазон
1,67 < О,. < 2 (0,5 < у/с < 0,67) соответствует переходу от вязкого механизма
разрушения к хрупкому и изменению объекта фрактальности от фрактальной поверхности разрушения при 1 й й 2 к фрактальному фронту трещины
при 2<В/<3.
Исходя из современных представлений о видах и механизмах разрушения материалов, разрушение высокопрочных сталей иод действием растягивающих напряжений и наводороживающих сред в зависимости от разных классификационных признаков можно определить следующим образом:
1) по степени пластичности - квазивязкое;
2) по условиям нагружения - статическое длительное;
3) по структурному фактору - в основном интеркристаллитное или смешанное;
4) по напряженному состоянию - отрыв;
5) по кинетике процесса - замедленное (задержанное);
6) по локальности разрушения - многомасштабное (субмикроскопи-ческое, мезоскопическое, макроскопическое);
7) по степени развития разрушения - многостадийное (начальное, развитое, полное);
25
8) по характеру влияния внешней среды - водородное растрескивание;
9) по объект)' фрактальности - объемное разрушение.
1.2. Основные подходы к решению проблемы разрушения материалов
1.2.1. Кинетический подход
Для решения задач, связанных с прочностью и разрушением различных материалов, используется силовая (с позиций Гриффитса) и кинетическая концепции. Согласно силовому подходу очаг разрушения, т.е. разрыв межатомных связей, возникает тогда, когда в каком-то месте твердого тела (в вершине трещины или окрестности любого другого дефекта) локальное напряжение достигает или превышает теоретическую прочность. Соответствующие этому подходу модели не учитывают тепловое движение атомов и являются склерономными (не зависящими от времени), то есть рассматривают разрушение как внезапно наступающее событие.
При кинетическом подходе разрушение является реономным (зависящим от времени) процессом, связанным с понятиями длительной прочности, кинетики разрушения и долговечности (времени до разрушения) материала. Пределом длительной прочности называют напряжение, вызывающее разрушение материала за определенное время испытания при постоянной температуре. Под кинетикой разрушения понимают изменение долговечности тела при нагружении в зависимости от температуры и напряжения. При таком подходе исследование кинетики разрушения твердого тела должно учитывать время как характеристику процесса деформации и разрушения. Это объясняется тем, что для передачи возмущений на определенное расстояние необходимо некоторое время, в течение которого под действием макропараметров напряженно-деформированного состояния среды, достигших крити-
26
чесних значений, происходит развитие и накопление в ней повреждений, приводящих к разрушению [286].
Большинство полученных разными авторами временных зависимостей прочности твердых тел относятся к умеренным и высоким температурам. При испытании чистых металлов при умеренных температурах (Г<0,5-ГЛ1, Тт - температура плавления) эта зависимость описывается
уравнением [145]
где tp - долговечность, а - действующее напряжение, А и а - постоянные,
зависящие от температуры.
При более высоких температурах для жаропрочных сплавов более достоверные результаты дает степенная функция [92, 145]
Д и а, - постоянные, зависящие от температуры.
Практическое использование формул (1.7) и (1.8) затруднительно, так как экспериментальное определение постоянных A, a, Ai и а, связано с большим объемом трудоемких опытов из-за большого разброса экспериментальных точек вследствие статистической природы процесса длительного разрушения.
С. Н. Журков с сотрудниками использовали принцип температурновременной суперпозиции для изучения длительной прочности в широком диапазоне температур. Наряду с формулой (1.7) при Т = const ими была получена также зависимость аррениуского типа между долговечностью и температурой при заданном напряжении а = const:
где /0 - константа материала, которая изменяется сравнительно в узких пределах и совпадает по порядку величины с периодом тепловых колебаний атомов в твердых телах (Ю'п -г 10‘13 с); 1/(а) - энергия активации (кинетическая энергия) процесса разрушения, необходимая для преодоления потенци-
/р = Л*ехр(-а-сг),
(1.7)
(1.8)
t = l0cxp[U(a)/k-T],
(1.9)
27
апьных барьеров, препятствующих перемещениям атомов в кристаллической решетке; к - постоянная Больцмана.
Учитывая зависимость энергии активации от напряжения
1/(а) = и0-аа(т, (1Л0)
получаем формулу Журкова, выражающую принцип температурно-
временной суперпозиции
г = /0-ехр [(и0-аа-ог)1кТ). (1.11)
Здесь ио - энергия активации при отсутствии напряжений, аа - активационный объем.
Величина ио соответствует энергии активации разрушения, которая существенно изменяется при переходе от одного материала к другому, но не чувствительна к его структуре. Для металлов энергия Ъ\ близка к энергии сублимации (возгонки) атомов решетки, которая характеризует работу, затраченную на преодоление сил связи поверхностного атома с остальными. Параметр аа является структурно-чувствительной величиной и служит показателем локальных повреждений, которые возникают на фоне средних напряжений, приложенных к телу.
В результате многочисленных исследований, проведенных в последние годы, разработаны новые подходы к описанию длительной прочности и кинетики разрушения, основанные на концепции накопления поврежденно-сти. При этом за меру разрушения принимают некоторый параметр повреждаемости, изменяющийся в процессе разрушения и достигающий в некоторой точке критического значения.
Л. М. Качанов [147] предложил критерий, основанный на предположении, что хрупкий разрыв есть конечный результат развития дефектов среды, находящейся под действием нагрузки. Для характеристики состояния по-врежденности среды используется скалярная величина #(/), называемая сплошностью и удовлетворяющая уравнению (1 < со < 1)