Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные с понижением температуры прочность растет и при определенных условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.
Размер зерна поле кристаллических материалов является одним из основных параметров микроструктуры. Уменьшение размеров зерен позволяет увеличить прочность и вязкость металла, поэтому при измельчении зерна возрастает вязкость разрушения. Использование такого метода как контроль процесса выплавки и особенно раскисления стали, понижение температуры конца прокатки, термоциклическая и термомеханическая обработка, которые способствуют измельчению зерна, позволяет одновременно повысить вязкость разрушения.
Влияние лидирующих элементов на вязкость разрушения, прежде всего, обусловлено их воздействием на величину зерна. Элементы, которые способствуют измельчению зерна, повышают вязкость разрушения, а элементы, упрочняющие твердые растворы наоборот понижают вязкость разрушения. Знания параметров вязкости разрушения позволяют обеспечить надежность конструкции, это важно в тех случаях, когда применяются высопрочные материалы в новых проектах, которые не имеют аналогов в прошлом, а безопасность изделий должна быть, бесспорно, обеспечена.
Оценку для определения переднего фронта вязкой трещины можно найти по виду излома разрушегося образца. Метод основан на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома ударных образцов. Вязкий излом имеет характерное строение с пепельным оттенком. С понижением температуры количество волокнистой составляющей в изломе снижется, появляются блестящие участки. Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой структуры равны 50%.
В большинстве случаев надо определять не только общую работу разрушения при ударном изгибе, но и ее составляющие, а именно работу за рождение и работу развития трещины. Работа зарождения переднего фронта вязкой трещины зависит от радиуса надреза. Чем острее надрез, тем меньшая работа нужна для зарождения трещины. Работа развития трещины мало зависит от мезогеометрии надреза и лучше характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно используют образцы заранее инициированной трещины. При испытании пластичных материалов работа разрушения образца с трещиной превышает истинную работу развития вязкой трещины на величину работы пластической деформации, расходуемой на изгибную и поперечную макродеформации.
Метод определения – ударной вязкости основан на линейной зависимости ударной вязкости от радиуса надреза.
Один и тот же материал под действием различных приложенных нагрузок может давать хрупкий или вязкий излом. Излом называют вязким в том случае если до разрушения материал обладал значительной пластичностью. Определение переднего фронта вязкой трещины заключается в испытании на ударную вязкость. Это один из методов который состоит в следующем: испытание на изгиб, испытание образца имеющего надрез и испытание действием ударной нагрузки. Испытания на вязкость, вязкой трещины позволяют изучать процессы старения, контролировать правильность термообработки и испытывать сварные соединения. Преимущество этого метода состоит в быстроте, малом расходе материала.
Распределения нагрузки в изотропном теле может быть описано шестью компонентами при условии использования мезогеометрии. В координатных плоскостях действуют нормальные компоненты напряжения и тангенциальные компоненты напряжения. С помощью этих главных напряжений могут быть рассчитаны сдвигающие усилия, действующие в других плоскостях. Сумма главных напряжений может быть равна 0, в этом случае систему называют деформационной. Действие нормальных напряжений вызывает упругое искажение атомной решетки.
В отличии от нормальных напряжений здвиговые напряжения могут вызывать пластическую деформацию, обусловленную сдвигом атомных слоев. При гидростатическом напряженном состоянии сдвигающие усилия отсутствуют. Это значит, что вплоть до наступления хрупкого излома материал не деформируется. При наличии деформационной системы наступит момент, что разрушение произойдет после заметной пластической деформации. Такой метод распределения напряжений по трем координатных осям может быть применен к определением вязкой трещины по измерениям мезогеометрии излома. В результате этого возникает местное растяжение материала, надрез выполняет сужение сечения, надрез устраняет появления сдвигающих напряжений.
Самый важный параметр - величина ударной вязкости. Чаще применяют методику, по которой определяют отношение площади кристаллического пятна на поверхности излома к общей величине сечения образца до разрушения на участках, которые имеют кристаллическую поверхность излом носит хрупкий характер. Для получения более точных результатов данную поверхность излома проектируют в увеличенном виде на матовое стекло.
Другой важный параметр – угол, который образуют после испытаний обе половины образца с центральной осью проходившей через образец до испытаний.
Оба эти метода то есть определение величины кристаллического пятна и угла изгиба металла, имеют перед методом определения работы при разрушении металла то преимущество, что найденные значения всегда могут быть проверены, если сохранить испытанный образец. Скорость, в которой груз ударяет по данному образцу, составляет 5-7 метров за секунду. Работа, затраченная на разрушение образца может быть найдена сравнительно просто, экспериментальное же определение силы удара и деформация образца, то есть нахождение составляющих интегралов работы сопряжено с большими трудностями.
Сила, которая производит работу, может дать испытания на ударную вязкость. Трещины начинают появляться в образце чаще еще до достижения максимума. Трещина при этом увеличивается, в то время как изгиб образца не меняется.
Ударная вязкость стали уменьшается при увеличении содержания углерода, серы, фосфора и азота. Ухудшение ударной вязкости наблюдается: участок крутого спада температурной кривой зависимости, ударной вязкости смещается в сторону более высоких температур. Ударную вязкость часто измеряют для контроля правильности термообработки.
С увеличением мелкозернистости структуры растет ударная вязкость, и участок резкого спада смещается в сторону более низких температур. Контроль ударной вязкости – единственный метод обнаружения закалочной хрупкости. Закалочной хрупкостью обладает такая сталь, которая при медленном охлаждении обладает меньшей вязкостью.
Микроанализ применяется для определение формы и размеров кристаллических зерен, атак же для выявления микро трещин. Для выявления микроструктур производится травление. Для травления полированной поверхности образцов наиболее часто применяются растворы кислот щелочей и солей. Травление производится или погружением образца в травитель, или нанесением тавителя на полированную поверхность образца. После травления микро шлиф промывается и высушивается, для выявления структуры высоко лисированных специальных сталей применяют электролитическое травление. Выявление структуры может быть так же произведено нагревом полированного образца. Этот способ основан на том, что при нагреве его структурные составляющие окисляются не одинаково быстро и окисляются в различные цвета.
После травления микро шлиф устанавливается микроскоп, и микроструктура рассматривается в отраженном свете. При рассмотрении на металлографическом микроскопе видна структура металла, потому что отдельные структурные составляющие травятся по-разному, одни сильнее другие слабее. При освещении протравленного микро шлифа лучи света будут по-разному отражаться от различно про травившихся структурных составляющих, одни слабее другие сильнее, поэтому одни будут светлее другие темнее. Таким образом, на разнице в состоянии поверхности и количестве отраженных лучей и основана выявления микро трещин металла.
Высокопрочные и средне прочные материалы характеризуются низкими значениями вязкости разрушения. Вязкость большинства материалов работающих при низких температурах достаточно высока, что затрудняет при расчете использование методов механики разрушения. Величина коэффициентов запаса не имеет достаточно теоретического обоснования и в значительной степени обусловлено сложившимися традициями расчета. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации, а вязкость – способность поглощать работу внешних сил при разрушении.
Конструкционные стали кроме высоких механических свойств должны иметь высокую прочность. К свойствам, определяющим надежность материала против внезапных разрушений относятся: прочность, долговечность. Конструкционная сталь должна обладать хорошими технологическими свойствами – легко обрабатываться давлением иметь малую склонность к деформации и трещенообразованию при закалке.
Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой гарячекатанной, калиброванной и шлифованной стали, в виде листов полос фасованных профилей. Для получения более чистой по примесям стали ее рафинируют жидким синтетическим шлаком в ковше, применяют так же эллектрошлаковый переплав. В некоторых случаях проводят вакумнодуговой и выплавку вакуумных индукционных печах. Применение рафинирования снижает загрязненность стали. Данные методы выплавки повышают ударную вязкость и трещиностойкость, сто объясняется повышением чистоты стали. Порог хладноломкости в результате рафинирования в стали меняется мало, снижается анизотропия свойств пластичности и вязкости.