ХРУПКОСТЬ

ХРУПКОСТЬ свойство материала разрушаться
при небольшой (преим. упругой) деформации под действием напряжений, средний
уровень к-рых ниже предела текучести. Образование хрупкой трещины и развитие
процесса хрупкого разрушения связано с образованием малых зон пластич.
деформации (см. Прочность). Относительная доля упругой и пластич.
деформации при хрупком разрушении зависит от свойств материала (характера
межатомных или межмолекулярных связей, микро- и кристаллич. 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 темп-ры и увеличение скорости
нагружения, а также повышение запаса упругой энергии нагруженной конструкции
способствуют переходу материала в хрупкое состояние. Напр., 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 X. материала,
и т. д. Поэтому X. 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 пластич. деформации
тонкого слоя, примыкающего к краям трещины). Хрупкая прочность элемента
с трещиной обратно пропорциональна У I , где /-полудлина трещины.
В линейной теории механики упругого разрушения вводится константа материала
К(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
⁴/5
от скорости распространения упругой волны сдвига).

Склонность материала к хрупкому разрушению
оценивают обычно по температурным зависимостям работы разрушения или характеристик
пластичности, позволяющих определить критич. темп-ру хрупкости Г., т. е.
темп-ру перехода из пластич. состояния в хрупкое. Чем выше Гтем более материал склонен к хрупкому разрушению.

При рассмотрении макроскопич. закономерностей
хрупкого разрушения необходимо учитывать две независимые характеристики
- сопротивление пластич. деформации (предел текучести aсопротивление хрупкому разрушению (хрупкая прочность, сопротивление отрыву
SOT). При понижении темп-ры испытания, введении надрезов - концентраторов
напряжения, увеличении скорости деформации aчем SOT, вследствие чего происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому
(рис.).

Схема перехода каменной соли из вязкого
состояния в хрупкое при понижении температуры испытания на растяжение (по
А. Ф. Иоффе).

Представление о возникновении хрупкого
разрушения как результате небольшой предварительной пластич. деформации
лежит в основе дислокационной теории разрушения. Зарождение хрупких трещин
связывают с плоским скоплением линейных дефектов кристаллич. решётки -
дислокаций
- перед к.-л. препятствием, к-рым 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 темп-ры ниже 0,2 от темп-ры плавления
и при повышении скорости деформации. Увеличение сопротивления пластич.
деформации затрудняет релаксацию напряжений в металле под нагрузкой как
на стадии возникновения трещины (перед скоплением дислокаций), так и на
стадии её развития (в пластин, зоне перед кончиком растущей трещины), способствуя
переходу металла в хрупкое состояние.

Вместе с тем X.- структурно-чувствит. свойство.
Неоднородности структуры и состава металлов, рост размеров зёрен, содержание
вредных примесей, выделение хрупких фаз, особенно по границам зёрен, повышают
Гвзаимодействуют с дислокациями, уменьшая их подвижность и способствуя переходу
вещества в хрупкое состояние. Очистка металлов от атомов внедрения (С,
О, N) понижает ТЛегирование может как повышать, так
и понижать Гметаллов, 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 ТУпорядочение в расположении атомов
также обусловливает повышение Т

Исследования поверхности разрушения (фрактография)
указывают на то, что трещина хрупкого разрушения в металлах и сплавах распространяется
вдоль простых кристаллографич. 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.

Специфич. виды X.- водородная X. и замедленное
разрушение стали и сплавов - проявляются только при очень низких скоростях
нагружения или при длительном воздействии статич. 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 критич. 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 X. вызывается
диффузией Н в область напряжённого состояния перед растущей трещиной.

Лит.: Дроздовский Б. А., Ф р и д-м
а н 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.