Хрупкость

Определение "Хрупкость" в Большой Советской Энциклопедии

Переход каменной соли из вязкого состояния в хрупкое (схема)

Хрупкость, свойство материала разрушаться при небольшой (преимущественно упругой) деформации под действием напряжений, средний уровень которых ниже предела текучести. Образование хрупкой трещины и развитие процесса хрупкого разрушения связано с образованием малых зон пластической деформации (см. Прочность). Относительная доля упругой и пластической деформации при хрупком разрушении зависит от свойств материала (характера межатомных или межмолекулярных связей, микро- и кристаллической структуры) и от условий его работы. Приложение растягивающих напряжений по трём главным осям (трёхосное напряжённое состояние), концентрация напряжений в местах резкого изменения сечения детали, понижение температуры и увеличение скорости нагружения, а также повышение запаса упругой энергии нагруженной конструкции способствуют переходу материала в хрупкое состояние. Например, существенно упругий материал — мрамор, хрупко разрушающийся при растяжении, в условиях несимметричного по трём главным осям сжатия ведёт себя как пластичный материал; чем выше концентрация напряжений, тем сильнее проявляется Хрупкость материала, и т.д. Поэтому Хрупкость следует рассматривать в связи с условиями работы материала.

Условием роста хрупкой трещины является нарушение равновесия между освобождающейся при этом энергией упругой деформации и приращением полной поверхностной энергии (включая и работу пластической деформации тонкого слоя, примыкающего к краям трещины). Хрупкая прочность элемента с трещиной обратно пропорциональна , где l — полудлина трещины. В линейной теории механики упругого разрушения вводится константа материала K_1c (вязкость разрушения), характеризующая сопротивление развитию трещины в условиях плоской деформации. Хрупкая трещина распространяется с большой скоростью (около 1000 м/сек в стали, что составляет примерно ¹/₅ от скорости распространения упругой волны сдвига).

Склонность материала к хрупкому разрушению оценивают обычно по температурным зависимостям работы разрушения или характеристик пластичности, позволяющих определить критическую температуру хрупкости Т_кр, т. е. температуру перехода из пластического состояния в хрупкое. Чем выше Т_кр, тем более материал склонен к хрупкому разрушению.

При рассмотрении макроскопических закономерностей хрупкого разрушения необходимо учитывать две независимые характеристики — сопротивление пластической деформации (предел текучести s_s) и сопротивление хрупкому разрушению (хрупкая прочность, сопротивление отрыву S_oт). При понижении температуры испытания, введении надрезов — концентраторов напряжения, увеличении скорости деформации s_s возрастает быстрее, чем S_oт, вследствие чего происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому (рис.).

Представление о возникновении хрупкого разрушения как результате небольшой предварительной пластической деформации лежит в основе дислокационной теории разрушения. Зарождение хрупких трещин связывают с плоским скоплением линейных дефектов кристаллической решётки — дислокаций — перед каким-либо препятствием, которым могут служить границы зёрен или субзёрен, различные включения и т.п. При этом возникает высокая концентрация напряжений, пропорциональная касательному напряжению от внешней нагрузки и длине скопления дислокаций.

Характерной особенностью хладноломких переходных металлов (см. Переходные элементы, Хладноломкость) является резкий рост предела текучести при понижении температуры ниже 0,2 от температуры плавления и при повышении скорости деформации. Увеличение сопротивления пластической деформации затрудняет релаксацию напряжений в металле под нагрузкой как на стадии возникновения трещины (перед скоплением дислокаций), так и на стадии её развития (в пластической зоне перед кончиком растущей трещины), способствуя переходу металла в хрупкое состояние.

Вместе с тем Хрупкость — структурно-чувствительное свойство. Неоднородности структуры и состава металлов, рост размеров зёрен, содержание вредных примесей, выделение хрупких фаз, особенно по границам зёрен, повышают Т_кр. Атомы элементов, образующие твёрдые растворы внедрения, взаимодействуют с дислокациями, уменьшая их подвижность и способствуя переходу вещества в хрупкое состояние. Очистка металлов от атомов внедрения (С, О, N) понижает Т_кр. Легирование может как повышать, так и понижать Т_кр вследствие изменения фазового состава и структуры металлов, а также в результате влияния на подвижность дислокаций в металле. Облучение металлов частицами высоких энергий вызывает увеличение сопротивления движению дислокаций, повышает степень закрепления последних и приводит к возрастанию Т_кр. Упорядочение в расположении атомов также обусловливает повышение Т_кр.

Исследования поверхности разрушения (фрактография) указывают на то, что трещина хрупкого разрушения в металлах и сплавах распространяется вдоль простых кристаллографических плоскостей (скола) либо по границам зёрен. Последний случай обусловлен адсорбционным обогащением границ зёрен вредными примесями (Р, S, Sb и др. элементами в сталях), резко снижающими силы сцепления между зёрнами.

Специфические виды Хрупкость — водородная Хрупкость и замедленное разрушение стали и сплавов — проявляются только при очень низких скоростях нагружения или при длительном воздействии статической нагрузки ниже предела текучести. Металл в этих случаях может не обнаруживать повышенной склонности к хрупкому разрушению при обычных ударных испытаниях. Разрушение развивается в три стадии — инкубационный период, стадия медленного роста хрупкой трещины и быстрый долом после достижения трещиной критической длины. Медленный скачкообразный рост хрупкой трещины в закалённой стали связан с тем, что при закалке возникают упругие микронапряжения, облегчающие рост трещины при невысоких напряжениях, приложенных извне. Облегчение же роста трещины в случае водородной Хрупкость вызывается диффузией Н в область напряжённого состояния перед растущей трещиной.

Лит.: Дроздовский Б. А., Фридман Я. Б., Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей, М., 1960; Атомный механизм разрушения, пер. с англ., М., 1963; Черепанов Г. П., Механика хрупкого разрушения, М., 1974.
  С. И. Кишкина, В. И. Саррак.