5 (1766)

I Stanisław Frydman

W ćwiczeniu używany będzie jeden termin, mianowicie przełom, a jego powierzchnię nn/.ywnć będzie się powierzchnią przełomu.

Najważniejszą częścią badań makroskopowych jest ustalenie rodzaju przełomu, Jaki wystąpił w rozerwanym elemencie. Zniszczenie elementu konstrukcyjnego jest * /ęito związane z dużymi stratami materialnymi, a w niektórych przypadkach / narażeniem zdrowia i życia ludzi obsługujących dane urządzenie. Szczegółown analiza przełomu umożliwia sformułowanie ogólnego wniosku o przyczynie katastrofy, co w przyszłości może pomóc w zapobieżeniu nieszczęśliwym wypadkom. W związku z tym analiza przełomów - rodzaje i sposoby rozwoju - będą dokładniej omówione.

O wytrzymałości materiału, charakteryzującego się idealną budową strukturalną, decydują siły wiązań międzyatomowych. Podczas dekohezji dochodzi do oddzielenia jtdnej warstwy atomowej od drugiej, ł^alwo wykazać, żc obliczona na podstawie siły wiązania międzyatomowego wytrzymałość jest dla niektórych metali 100, a niekiedy 1000 razy większa niż wytrzymałość rzeczywista. Przyczyną tych rozbieżności są de-Ickty struktury krystalicznej materiałów. Jak dotychczas nie można osiągnąć teoretycznej wytrzymałości w materiałach powszechnie stosowanych. Zbliżono się do niej jedynie w kryształach nitkowych (tzw. wiskerach), w których można było do minimum ograniczyć defekty struktury. Przede wszystkim dyslokacje oraz mikropęknięcia dci ydują o znacznie zmniejszonej wytrzymałości materiału. Już GrifFith postulował, tworząc swoją teorię w 1921 r., te w materiałach zawsze występują pęknięcia, które inicjują przełom (teoria ta stała się podłożem współczesnej mechaniki pękania). Dyslokacje natomiast ułatwiają odkształcenie plastyczne materiału oraz tworzenie się mili mpęknięć. W obszarze przyległym do istniejącego lub utworzonego mikropęknięcia następuje spiętrzenie naprężeń powodujące jego rozwój, co w konsekwencji doprowadza do rozerwania materiału przy naprężeniach nominalnych dużo niniejszych od przewidywanych naprężeń eksploatacyjnych dla danych elementów.

Ważnym składnikiem analizy przełomu jest ustalenie czasu jego powstawania. Ze względu na kryterium czasu rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje przełomów: przełomy zachodzące w krótkim czasie i te, w których pęknięcie, zwiększając swoje rozmiary, doprowadza do zniszczenia w dłuższym przedziale czasu. Do pierwszego rodzaju zaliczamy przełomy kruchy i plastyczny, do drugiego przełom zmęczeniowy. Rozróżnienie to pozwala często wysnuć podstawowy wniosek co do przyczyny powstania przełomu: czy nastąpiło przeciążenie danego elementu, czy też pęknięcie rozwijało się w dłuższym czasie, podczas normalnej pracy urządzenia.

Podział na przełomy kruche i plastyczne (zwane również ciągi iwy mi) wymaga dodatkowych wyjaśnień. Ocena materiału, charakteryzująca go jako kruchy lub plastyczny, jest związana najczęściej z obserwacją, że materiał ten pęka krucho lub plastycznie. Sposób pękania jednak nie zależy tylko od cech samego materiału. O zachowaniu się materiału poddanego obciążeniu decyduje również jego temperatura oraz prędkość narastania obciążenia. Ten sam materiał może pękać plastycznie w temperaturze otoczenia i krucho w temperaturze obniżonej oraz ulegać rozłamaniu w iposób kruchy, gdy obciążamy go szybko, a w plastyczny, gdy obciążenie narasta powoli Niska temperatura i zwiększanie szybkości obciążenia sprzyjają kruchemu pękaniu. Najczęściej gdy o materiale mówimy kruchy lub plastyczny - mamy na myśli temperaturę pokojową i obciążanie statyczne (wolne).

Część materiałów metalicznych (najczęściej dotyczy to tych, które krystalizują w sieci A2, takich jak np.: Fe_a, Cr, Mo, W) oraz A3 (np. Cd, Mg, Zn) doznaje, w stosunkowo wąskim przedziale temperatury, przejścia ze stanu plastycznego w stan kruchy. W charakterystycznej dla siebie temperaturze materiały te tracą niemal skokowo swoje właściwości plastyczne. Metale krystalizujące w sieci Al (np Al, Cu, Ni) nawet w bardzo niskiej temperaturze zachowują właściwości plastyczne. Znajomość temperatury przejścia w stan kruchy ma podstawowe znaczenie, gdyż umożliwia zabezpieczenie się przed ewentualnym kruchym pękaniem.

Pomimo zupełnie różnych mechanizmów powstawania przełomów kruchych i plastycznych, ich powierzchnie w ujęciu makroskopowym, w swoich fragmentach, często są podobne. Jeżeli mamy tylko małe wycinki przełomów - ich rozpoznanie może być trudne. Dalej opisano szczegółowo każdy rodzaj przełomu, co pomoże w ich rozpoznaniu. W osobnym rozdziale omówiono przełomy, których podstawową przyczyną były wady technologiczne badanych elementów.

1.1.1. Przełom kruchy

Przełom kruchy to rodzaj dekohezji, której należy szczególnie się obaw-iać. Wymaga mniejszego nakładu energii przy jego rozwoju niż przełom plastyczny, zachodzi łatwiej, w sposób niekontrolowany - dlatego jest niebezpieczny. Wynika z tego praktyczny wniosek uwzględniany przez konstruktorów: element)' przenoszące znaczne obciążenia powinny charakteryzować się pewną dozą plastyczności w warunkach pracy. Plastyczność ta ma zapewnić bezpieczeństwo w sytuacji przeciążenia. Element w takim przypadku najpierw odkształci się plastycznie, sygnalizując niebezpieczeństwo, a dopiero później może ulec pęknięciu. Chociaż po odkształceniu plastycznym nie nadaje się on najczęściej do dalszej eksploatacji i należy go wymienić, zapobiega to jednak poważniejszej katastrofie.

Przełom kruchy inicjowany jest najczęściej w miejscu, w którym wystąpiła koncentracja naprężenia. Może to być, jak już wspomniano wcześniej, istniejące w materiale pęknięcie, ale również skokowa zmiana przekroju danego elementu lub wada jego powierzchni. Takimi miejscami mogą też być kruche wydzielenia obcych faz albo wtrącenia niemetaliczne. Jeżeli koncentracja naprężenia osiągnie wartość krytyczną, to nastąpi katastrofalny rozwój pęknięcia.

Typowym mechanizmem pękania kruchego jest jego rozwój po tzw. płaszczyznach łupliwości, na których występuje najsłabsza kohezja, co prowadzi do rozerwania warstw atomowych wzdłuż tych płaszczyzn. Płaszczyznami łupliwości w kryształach o sieci A2 są płaszczyzny (100). Taki sposób pękania nazywany jest