Pękanie kruche i ciągliwe - Stalnierdzewna.com - Największa w Polsce strona informacyjna o stali nierdzewnej

Pękanie kruche i ciągliwe

Na ile artykuł jest pomocny? (2 głosów)

Pękanie ciągliwe

Podczas pękania ciągliwego tworzenie się pęknięć i ich łączenie odbywa się dzięki płynięciu plastycznemu materiału. Pękanie ciągliwe zachodzi przez zarodkowanie i wzrost pustek i rozpoczyna się zwykle od cząstek innej fazy. Jeżeli większość cząstek, na których tworzą się pustki znajduje się na granicach ziarn, to pękanie zachodzi po granicach ziarn i jest nazywane międzykrystalicznym, jeżeli natomiast rozmieszczenie cząstek jest względnie równomierne, to pękanie zachodzi przez ziarna i jest nazywane transkrystalicznym. Niezgodność odkształceń między twardymi cząstkami i osnową powoduje generowanie podczas odkształcania dyslokacji niezbędnych geometrycznie w osnowie. Jeżeli w ciągliwej osnowie znajdują się kruche cząstki innej fazy, to takie cząstki nie są w stanie zaakomodować dużych odkształceń plastycznych osnowy, dlatego juz przy niezbyt dużych odkształceniach plastycznych osnowy naprężenie pochodzące od dyslokacji geometrycznie niezbędnych oraz od sił zewnętrznych osiąga wartość wystarczającą do spowodowania pękania cząstek lub, jeżeli granica cząstka - osnowa jest słaba do dekohezji na powierzchni międzyfazowej. Oba typy zachowań powodują tworzenie się mikropustek na cząstkach. Podczas dalszego odkształcania w materiale między mikropustkami tworzą się lokalne szyjki, a ich zrywanie powoduje łączenie się utworzonych na cząstkach pustek. Ponieważ procesy zachodzące podczas ciągliwego pękania są zwykle związane z cząstkami innej fazy, dlatego nie należy się dziwić, że ciągliwość mocno zależy od wielkości, gęstości i zdolności do odkształcenia plastycznego cząstek innej fazy oraz wytrzymałości granicy międzyfazowej cząstka - osnowa.

W próbce rozciąganej przed rozpoczęciem tworzenia się szyjki mikropustki mogą się tworzyć w całej objętości próbki. Podczas pękania ciągliwego wytrzymałość na rozciąganie jest mniejsza niż naprężenia konieczne do rozprzestrzeniania się pęknięcia, dlatego próbka odkształca się najpierw równomiernie, następnie tworzy się szyjka, a nie następuje zniszczenie materiału przez pękanie. Po rozpoczęciu tworzenia się szyjki dalsze odkształcenie oraz łączenie się pustek jest ograniczone do obszaru szyjki. Następnie w środkowej części próbki tworzy się pęknięcie dzięki łączeniu się pustek, a końcowe rozdzielenie materiału uzyskuje się przez ścięcie lub niekiedy przez przewężenie się pierścienia otaczającego to pęknięcie.

Ścięcie następuje pod kątem 45 stopni do kierunku rozciągania, tj. na powierzchni maksymalnych naprężeń stycznych. Taki rozwój pęknięcia powoduje tworzenie się tzw. warg ścięcia świadczących o pękaniu ciągliwym oraz charakterystycznego wyglądu „stożek - czasza" powierzchni pęknięcia próbki rozciąganej.

Rozwój pęknięcia w próbce rozciąganej materiału ciągliwego:

a - tworzenie się pustek na cząstkach innej fazy,
b - łączenie się pustek w strefie środkowej próbki,
c - końcowe rozdzielenie przez ścięcie z utworzeniem warg ścięcia,
d - niekiedy rozdzielenie następuje dzięki przewężeniu się pierścienia zewnętrznego.

Występujący bardzo często podczas rozciągania próbek o przekroju okrągłym przełom typu „stożek - czasza" jest zatem typowym przełomem ciągliwym, a głównym elementem powierzchni takiego przełomu są dołki (wgłębienia), w środku których znajdują się cząstki wtrąceń, na których utworzyły się pustki. W centralnej części pęknięcia dołki są równoosiowe, a na ścianach czaszy wydłużone. Pękniecie w części środkowej jest prostopadłe do osi rozciągania, natomiast na bokach ma mocny charakter ścinający, a dołki cięcia mają kształt paraboliczny.

Znaczne zmniejszenie ciągliwości ze wzrostem ułamka objętości wtrąceń niemetalicznych i cząstek innej fazy jest rezultatem intensywnego zarodkowania pustek na cząstkach i łatwości z jaką następuje ich łączenie się w miarę zmniejszania się odległości między nimi.

Kształt dołków na powierzchni przełomu ciągliwego zależy od stanu naprężeń. Utworzone w warunkach jednoosiowego rozciągania dołki mają kształt kulisty. Ponieważ wzrost i łączenie się takich pustek odbywa się dzięki odkształceniu plastycznemu, to należy oczekiwać, że energia pękania powinna być zależna od wielkości dołków, a mianowicie powinna rosnąć z ich wielkością.

Wpływ stanu naprężenia na morfologię powierzchni przełomu:

a - naprężenie rozciągające powoduje tworzenie się dołków równoosiowych,
b - naprężenie styczne powoduje tworzenie się dołków wydłużonych w kierunku działania naprężeń stycznych; na przeciwległych powierzchniach przełomu dołki są wydłużone w kierunkach przeciwnych,
c - dołki tworzące się pod wpływem naprężenia rozciągająco – zginającego są również wydłużone jednak na przeciwległych powierzchniach przełomu są wydłużone w tym samym kierunku jeżeli zniszczenie jest spowodowane naprężeniami stycznymi, to pustki rosną i łączą się wzdłuż płaszczyzny maksymalnych naprężeń stycznych. Dlatego pustki są wydłużone, a na powierzchni przełomu występują dołki paraboliczne. Takie dołki występują na powierzchniach stożka i czaszy próbki po próbie rozciągania Pustki są wydłużone w kierunku naprężeń stycznych i na przeciwległych powierzchniach przełomu są zwrócone w kierunkach przeciwnych.

Jeżeli natomiast naprężenia są rozciągająco - zginające, to tworzą się dołki wydłużone. Zasadnicza różnica między tymi dołkami i dołkami utworzonymi pod wpływem naprężeń stycznych jest taka, że te dołki są na obu powierzchniach przełomu zwrócone w tym samym kierunku.

Pękanie kruche

Pękanie kruche jest definiowane jako pękanie zachodzące wówczas, jeżeli naprężenie średnie przenoszone przez materiał jest mniejsze niż wartość granicy plastyczności i któremu towarzyszy bardzo małe odkształcenie plastyczne oraz absorpcja energii. Takie pękanie następuje bardzo gwałtownie i prawie bez ostrzeżenia. Jest ono bardzo groźne, gdyż powoduje zwykle duże straty finansowe, a niekiedy również wypadki śmiertelne.

Najbardziej kruchą formą pękania jest pękanie łupliwe, które następuje przez zrywanie wiązań atomowych między określonymi płaszczyznami krystalograficznymi. Skłonność do pękania łupliwego rośnie wraz ze wzrostem szybkości odkształcania, z obniżaniem temperatury odkształcania i ze wzrostem trójosiowości naprężeń rozciągających.

Pękanie kruche wymaga znacznie mniej energii niż pękanie ciągliwe. Żelazo pęka łupliwie po płaszczyznach {100}.

Zdolność materiału do odkształcania plastycznego w sąsiedztwie wierzchołka pęknięcia zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięcia. Każdy mechanizm umocnienia zwiększający granicę plastyczności ogranicza jednocześnie zdolność do odkształcenia plastycznego, a przez to zdolność do stępiania wierzchołka pęknięcia. W stopach o strukturze krystalicznej RPC, np. stalach ferrytycznych, naprężenie Peierlsa rośnie gwałtownie z obniżeniem temperatury, co powoduje gwałtowny wzrost granicy plastyczności w niskich temperaturach.

W materiałach o strukturze RSC składowa Peierlsa w naprężeniach jest mała. Dlatego zależność granicy plastyczności od temperatury jest słaba i takie materiały mogą być stosowane w warunkach kriogenicznych. Metale charakteryzujące się silną zależnością granicy plastyczności od temperatury i szybkości odkształcenia wykazują skłonność do pękania kruchego. W żelazie z obniżeniem temperatury lub ze zwiększeniem się szybkości odkształcenia poślizg poprzeczny dyslokacji śrubowych staje się coraz bardziej trudny i w związku z tym rośnie prawdopodobieństwo rozładowania dużych lokalnych naprężeń przez pękanie. Podczas rozprzestrzeniania się pęknięcia łupliwego w materiale polikrystalicznym na granicach ziarn następuje zmiana kierunku wzrostu pęknięcia, gdyż płaszczyzny {100} w poszczególnych ziarnach mają różne orientacje przestrzenne.

Ponieważ orientacja płaszczyzn łupliwości w ziarnach tworzących granicę jest różna, to rozprzestrzenianie się pęknięcia po przejściu przez granicę jest kontynuowane na wielu płaszczyznach równoległych do siebie, co powoduje tworzenie się uskoków. Z tej przyczyny na powierzchni przełomu łupliwego tworzą się małe nieregularności, gdyż w niektórych ziarnach pęknięcie rośnie jednocześnie na kilku równoległych płaszczyznach krystalograficznych. Takie równoległe pęknięcia są połączone uskokami utworzonymi przez wtórne pęknięcia łupliwe lub przez ścięcie. Uskoki na płaszczyźnie łupliwości mogą również powstawać w rezultacie przecinania dyslokacji śrubowych przez płaszczyznę pęknięcia łupliwego. Zwykle uskoki na powierzchni przełomu łupliwego są równoległe do kierunku rozprzestrzeniania się pęknięcia i prostopadłe do makroskopowej płaszczyzny pęknięcia.

Schematyczne przedstawienie tworzenia się uskoków podczas pękania łupliwego:

a - połączenie równoległych pęknięć (A, A) przez pękniecie łupliwe B lub ścięcie C,
b - zapoczątkowane przez dyslokację śrubową tworzenie się uskoku,
c - tworzenie się uskoków po przejściu wierzchołka pęknięcia przez granice skręcenia.

Bardzo często w obszarze jednego ziarna w miarę rozprzestrzeniania się pęknięcia następuje łączenie się małych uskoków w większe, co pozwala ustalić kierunek w jakim następował wzrost pęknięcia łupliwego w materiale. Metale o strukturze krystalicznej RSC nie pękają łupliwie, gdyż w nich występuje znaczne odkształcenie plastyczne zanim naprężenie osiągnie wystarczającą wartość dla pękania łupliwego. Pękanie łupliwe występuje natomiast często w metalach o strukturze krystalicznej RPC i HZ.

Różnice między pękaniem kruchym i ciągliwym

	Kruche	Ciągliwe
Naprężenie	Pękanie zachodzi przy naprężeniach niższych od wymaganych do płynięcia plastycznego na całym przekroju poprzecznym	Pękanie zachodzi przy naprężeniach odpowiadających granicy plastyczności dla całego przekroju poprzecznego
Energia	Pękanie jest procesem niskoenergetycznym	Pękanie jest procesem wysokoenergetycznym
Szybkość wzrostu pęknięcia	Duża	Mała

Bibliografia

Stalnierdzewna.com - Największa w Polsce strona informacyjna o stali nierdzewnej

Pękanie ciągliwe

Pękanie kruche

Baza wiedzy

Forum dyskusyjne

Wiadomości z branży

Wokół stali nierdzenwej

Main

Tematy

stalnierdzewna.com

Nowe tematy na forum

Najczęściej czytane: