Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-мехническими процессами, происходящими в самом образце (теле).
Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектом металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений. В связи с этим такие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений. Пик напряжений тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения и чем больше глубина надреза. Т. к. вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия. Внутреннее остаточное напряжение возникающие и уравновешивающиеся в приделах тела без действия внешней нагрузки.
Внутреннее остаточное напряжение получается в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, напряжения появляются в процессе кристаллизации при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему по излому. Их называют фазовыми или структурными.
Объемные дефекты имеют значительную протяженность во всех направлениях. Примерами таких дефектов являются усадочные, газовые раковины, трещины, образовавшиеся на различных этапах технологического процесса производства металла. Для кристаллов характерен механизм диффузии который связан с понятием флуктуаций, т. е. беспорядочное отклонение случайных величин в обе стороны от их случайного значения. Наличие флуктуации обусловлено атомной структурой вещества и тепловым движением частиц. Средняя тепловая энергия колеблющихся атомов в зависимости от температуры составляет 0,025-0,2 эВ. В кристаллах наблюдаются вакансии, то есть пустоты. Источниками вакансий являются свободные поверхности кристалла: границы зерен, трещины и поры в внутри кристалла.
Перемещение инородных атомов определяет процесс гетеродеффузии. Когда чужеродные атомы переходят из одного узла решетки переходят в другой, для этого требуется удаление из узла решетки атома основного металла, такой процесс требует значительной энергии.
При встречи вакансий может происходить их скопление, а так же перерождение и другие виды дефектов – в субмикроскопические трещины и линейные дефекты (дислокации). Сток вакансий к существующим трещинам и порам приводит к увеличению размеров трещин. В этом случае имеет место значительное раз упрочнение металла, то есть точечные дефекты оказывают существенное влияние на прочность металлов. Дислокации могут образоваться при кристаллизации. В результате образуется новый единый кристалл с не полностью заполненной атомной плоскостью, которую называю экстраплоскостью. Могут наблюдаться искажения в расположения атомов в кристалле, поэтому по размерным признакам край экстраплоскости создает линейный дефект, который называется дислокация.
Существуют методы изучения кристаллического строения металлов в масштабах зерен и их комплексов. Размеры зерен в поликристалических телах могут колебаться в пределах 0,0001-0,1 см. Поэтому в ряде случаев оценку кристаллического строения можно дать на основе рассмотрения невооруженным глазом или при малых увеличениях. Макроанализ применяется для установления крупных дефектов строения металла, расположения волокон, вызванного соответствующими технологическими процессами. Макро анализ поверхности разрушения деталей позволяет установить причины вызвавшие разрушение. Для изучения микроструктуры (образования трещин, расположения зерен) применяется микро структурный анализ, в котором используются электронные микроскопы.
Изменение свойств металла после пластической деформации связано с ростом дислокации, которая характеризуется суммарной длинной дислокации, содержащихся в одном сантиметре кубического металла. Деформации сопровождается дроблением блоков в кристаллах. Наклеп металла сопровождается изменением и других физических свойств, происходит уменьшение коррозионной стойкости. Вязкое разрушение, в результате чего образуется вязкая трещина происходит путем сдвига под действие касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 450 к направлению главных нормальных напряжений. Большинству реальных материалов присуще как вязкое, так и хрупкое разрушение. Характерным признаком вязкого разрушения является энергоемкость, т. е. величина работы разрушения, вид трещины, поверхность излома и скорость распространение трещины. При образовании вязкой трещины затрачивается большая работа. Для развития вязкой трещины необходим непрерывный внешний подвод энергии расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоления возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственного разрушения.
При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации. При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транс кристаллический характер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах имеет меж кристаллический характер.
Излом при вязком разрушении имеет волокнистый характер без металлического блеска, которое обнаруживается с помощь. Электронно-микроскопического исследования. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений, поэтому в случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. Существует ряд моделей дислокационного механизма зарождения трещины. Согласно общей модели Зинера, краевые дислокации движутся по плоскости скольжения к препятствию. Если при подходе они не могут одолеть этот «непрозрачный» барьер, то образуется нагромождение дислокаций, возникает концентрация напряжений. При этом в этой зоне напряжение может превысить приложенное напряжение.
Когда напряжения превзойдут силы межа томной связи материала, возникает микро трещина. Следующей стадией разрушения является подрастание зародышевой микро трещины до трещины критического размера, когда будет достигнута критическое соотношение между действующим напряжением и длинной трещины. Росту трещины способствует взаимодействие полей напряжение у ее вершины.
Таким образом, стадии зарождения микротрещины и ее подрастание до критического размера являются следствием движения дислокаций, т. е. пластической деформацией металла.
Дефекты типы трещин являются концентраторами напряжений, которые тем больше чем острее трещина и больше ее длина. В случае достаточно острой и длинной трещины напряжение вблизи ее вершины могут достигать значений, превышающих разрушающее напряжение материалов даже при сравнительно малом приложенном напряжении. Чтобы предсказать поведение трещины необходимо провести метод напряженного состояния вблизи вершины трещины. При продвижении трещины имеют место процессы: высвобождения упругой энергии, запасенной системой и затрата энергии на образование новых поверхностей трещины. Хрупкая тонкая пластина единичной толщины находится под действие внешних сил, которые создают напряжение. Поведение трещины в растягиваемой пластине зависит от того в какую сторону будет меняться общая энергия пластины при малом превращении длины трещины. Если с ростом трещины энергия пластины будет уменьшаться, то трещина будет расти без внешнего дополнительного воздействия, т. е. самопроизвольно. Рост трещины связан с пластической деформацией идущей впереди вершины трещины. При плоской деформации зона пластической деформации значительно меньше, чем в случае плоского напряженного состояния.
Вязкая трещина определяется относительным развитием нормально и наклонно участков разрушения. У достаточно толстых образцов с высоко развитой поверхность нормально разрушения вязкость разрушения приближается к предельному значению в условиях плоской деформации. Знания вязкости разрушения позволяет определять максимально допустимые напряжения конструкции при наличии трещин определенной длины.
Статические, динамические и циклические испытания сопротивления развитию вязкой трещины сводятся к следующему в образцах определенной формы и размера наводится искусственная трещина. Затем производят нагружение образца с одновременной записью нагрузки и смещения берегов трещины. Имеются виды образцов для определения вязкости разрушения при нагружении: цилиндрический образец с кольцевым надрезом и трещиной для испытаний на осевое растяжение и изгиб; плоский образец с центрально сквозной трещиной на осевое растяжение, плоский образец с боковым односторонним надрезом и трещиной для испытаний на растяжения плоский образец с боковым надрезом и трещиной для испытаний на сосредоточенный изгиб. Форму и размеры образцов для определения характеристик вязкости разрушения выбирают с учетом цели испытания и назначения. Вовремя опыта производится автоматическая запись данных о нагрузке на образец и росте трещины. После того как образец трещины подготовлен, он устанавливается в испытательной машине и производится его непрерывное нагружение с одновременной записью диаграммы нагрузка. Образцы должны иметь толщину, обеспечивающую разрушения в условиях плоской деформации. Основным недостатком испытаний на вязкость разрушения в условиях плоской деформации является необходимость использования больших образцов при исследовании материалов средней и низкой прочности.