Понимание пластичного разрушения:причины, стратегии обнаружения и предотвращения

Пластическое разрушение является важным фактором при проектировании компонентов, подвергающихся растягивающим нагрузкам. Инженеры обычно проектируют детали так, чтобы ожидаемое максимальное напряжение оставалось в пределах предела упругости материала — ниже его предела текучести — во избежание остаточной деформации. Однако если напряжение превышает этот предел, материал начинает пластически деформироваться и в конечном итоге может подвергнуться пластическому разрушению.

При пластическом разрушении деталь подвергается значительной пластической деформации, часто видимой как локализованное уменьшение площади поперечного сечения (вырез), прежде чем она сломается. Такое поведение контрастирует с хрупким разрушением, которое происходит с незначительной пластической деформацией или без нее и с минимальным предупреждением. 

В этой статье объясняется, что такое пластическое разрушение, как оно возникает и прогрессирует, как оно выглядит, его общие причины и стратегии его предотвращения при проектировании конструкций.

Что такое пластическое разрушение?

Пластическое разрушение относится к процессу разрушения материала после пластической деформации, превышающей предел текучести. Это контрастирует с хрупким разрушением, при котором материал практически не деформируется перед разрушением. Материалы, которые деформируются пластично, имеют особый вид разрушения по сравнению с хрупким разрушением.

На типичной кривой растяжения-деформации, как только напряжение превышает этот предел до предела текучести материала, он начинает пластически деформироваться. В некоторых материалах можно наблюдать отчетливый верхний и нижний предел текучести; нижний предел текучести отмечает начало равномерной пластической деформации. От A до B материал подвергается деформационному упрочнению, при котором он может выдерживать возрастающее напряжение из-за взаимодействия дислокаций, несмотря на продолжающуюся пластическую деформацию. Максимальное напряжение в точке B представляет собой предел прочности на разрыв (UTS). За точкой B происходит локальное уменьшение площади поперечного сечения, явление, называемое образованием шейки, и напряжение, которое материал может выдержать, уменьшается до тех пор, пока не произойдет разрушение в точке C. 

Следует отметить, что образование шейки обычно развивается после равномерной пластической деформации и не наблюдается на ранних стадиях пластического разрушения. Более высокая степень удлинения до разрушения означает, что материал более пластичен. Однако некоторая степень деформационного упрочнения возникает в большинстве металлов до того, как они достигнут стадии образования шейки.

Высокопластичные материалы часто не имеют четко определенного предела текучести. Для этих материалов предел текучести обычно определяется с использованием метода смещения 0,2%, при котором линия, параллельная упругой области кривой, проводится от значения деформации 0,2% до пересечения кривой. Это пересечение отмечает точку текучести. 

Уровень пластичности материала можно определить по пропорциональному уменьшению площади поперечного сечения в плоскости разрушения после разрушения. Такие материалы, как алюминий и золото, площадь которых перед разрушением значительно уменьшается, считаются очень пластичными.

Что означает «пластичный»?

Слово «пластичный» происходит от латинского ductilis, что означает «податливый», «гибкий» или «способный управляться». В материаловедении под пластичностью понимают способность материала подвергаться значительной пластической деформации перед разрушением. Это свойство позволяет материалам стягиваться в проволоки, придавать им сложные формы или поглощать энергию под нагрузкой без внезапного выхода из строя.

Для получения дополнительной информации см. наше руководство по пластичности.

Иллюстрация пластичности

Что происходит, когда происходит пластическое разрушение?

Пластическое разрушение — это многоэтапный процесс, который для ясности будет ограничен пластичным разрушением при растяжении. Во-первых, деталь должна быть нагружена растяжением так, чтобы возникающее напряжение начало превышать предел упругости (или предел текучести) материала. В этот момент материал начнет пластически деформироваться. Этот процесс называется образованием шейки и означает уменьшение площади поперечного сечения детали. В конце концов, приложенное напряжение становится сильнее, чем связи между атомами, которые удерживают материал вместе. Самыми слабыми частями материала являются внутренние дефекты, при которых металлические кристаллы не выстроены в линию для достижения оптимальной прочности, например, в уже существующих порах или пустотах, или в включениях или загрязнениях, таких как шлак или карбиды металлов. Затем эти пустоты объединятся, то есть будут расти и соединяться с близлежащими пустотами, образуя более крупные пустоты. Как только пустоты объединятся, образуя достаточно большие разрывы, трещина начнет распространяться наружу от точки зарождения, пока материал в конечном итоге не отделится на макроуровне и не разрушится.

Как выглядит пластическое разрушение?

Вязкое разрушение характеризуется заметным уменьшением площади поперечного сечения детали вблизи плоскости разрушения в результате локализованной пластической деформации. Это сужение, известное как образование шейки, создает характерный профиль в зоне разрушения. В высокопластичных материалах зона шейки часто сужается до более острой точки перед разрушением, тогда как в менее пластичных материалах переход происходит более постепенно.

Каковы причины пластического разрушения?

При правильных условиях любой материал может разрушиться, а пластическое разрушение происходит, когда эти условия допускают значительную пластическую деформацию перед разрушением. Некоторые факторы, способствующие пластическому разрушению, перечислены ниже:

1. Уровень стресса

Детали обычно проектируются таким образом, что напряжения, которые они испытывают, остаются значительно ниже предела текучести, часто со встроенным коэффициентом запаса прочности. Если приложенное напряжение при растягивающей нагрузке превышает предел текучести, материал начинает пластически деформироваться. Это инициирует первую стадию пластического разрушения, при которой деформация продолжается до тех пор, пока не будет достигнута прочность на излом и деталь не сломается. 

2. Тип загрузки

Пластическое разрушение чаще всего наблюдается при растягивающей нагрузке, когда приложенная сила растягивает материал. Скорость нагружения, то есть скорость приложения нагрузки, также может влиять на поведение при пластическом разрушении. В некоторых случаях более высокие скорости нагрузки могут увеличить кажущуюся вязкость разрушения материала. Хотя большинство компонентов рассчитано на нагрузку, превышающую ожидаемую, непредвиденные или экстремальные растягивающие напряжения все равно могут привести к пластическому разрушению.

3. Ранее существовавшие трещины или дефекты

Трещины, пустоты и другие дефекты локально ослабляют материал, создавая концентрацию напряжений в этих областях. Когда приложенная нагрузка достаточна, эти зоны высокого напряжения могут сначала деформироваться, вызывая распространение трещин. Большинство пластических разрушений происходит по этому механизму, начиная с образования микроскопических пустот и слияния, за которым следует рост трещин, который в конечном итоге приводит к разрушению.

4. Свойства материала

Для предотвращения пластического разрушения необходимо проектировать детали так, чтобы концентрация напряжений оставалась значительно ниже предела текучести материала. Некоторые материалы, такие как среднеуглеродистая сталь, имеют четко выраженный предел текучести, который легко определить по кривой напряжения-деформации. Высокопластичные материалы, такие как алюминий, не имеют четко выраженного предела текучести. Вместо этого их предел текучести определяется с использованием метода смещения 0,2%, который определяет напряжение, соответствующее остаточной деформации 0,2%. Для таких материалов предел текучести со смещением 0,2% фактически рассматривается как предел текучести в расчетах проектирования.

5. Влияние температуры и окружающей среды

Температура оказывает существенное влияние на поведение материалов при растяжении. Повышенные температуры снижают предел текучести материала, что приводит к возникновению пластического разрушения при гораздо меньших нагрузках. И наоборот, снижение температуры может привести к хрупкому разрушению пластичного материала. Температура, при которой происходит этот сдвиг, известна как температура перехода из пластичного состояния в хрупкое (DBTT). При высоких температурах и длительных нагрузках материалы также могут испытывать ползучесть — зависящую от времени деформацию, которая может возникать даже ниже предела текучести при комнатной температуре. Факторы окружающей среды, такие как коррозия, могут дополнительно повлиять на поведение при отказе. Некоторые коррозионные агенты могут вызывать охрупчивание, приводя к разрушению обычно пластичного материала в хрупком состоянии.

Как можно предотвратить пластическое разрушение?

Пластическое разрушение можно предотвратить путем тщательного инженерного проектирования. Каждый компонент и система должны быть спроектированы так, чтобы приложенные нагрузки, которые они будут испытывать в среде эксплуатации, не превышали предел текучести материала в этой среде. Чтобы исключить выход из строя, необходимо уменьшить нагрузку, увеличить площадь поперечного сечения или выбрать другой материал.

Поскольку напряжение определяется как сила, деленная на площадь поперечного сечения, уменьшение силы или увеличение площади снизит напряжение и уменьшит риск отказа. Выбор материалов с более высоким пределом текучести гарантирует, что эксплуатационные нагрузки останутся в пределах упругости.

Стандартной инженерной практикой является проектирование деталей, способных выдерживать коэффициент запаса прочности, превышающий максимальную ожидаемую нагрузку. Факторы безопасности учитывают такие неопределенности, как изменчивость материалов, условия окружающей среды и непредвиденные сценарии нагрузки. Во многих отраслях приемлемые коэффициенты безопасности регламентированы и не могут быть выбраны проектировщиком произвольно.

Как можно отремонтировать детали, вышедшие из строя из-за вязкого разрушения?

Считается, что компонент претерпел пластическое разрушение, если он претерпел достаточную пластическую деформацию, которая больше не может выполнять предусмотренную функцию, независимо от того, произошел ли полный разрушение. Ремонт, как правило, возможен только путем удаления деформированного участка и его замены или замены всего компонента.

Этот тип разрушения часто указывает на потенциальный недостаток конструкции:либо эксплуатационные нагрузки оказались выше предусмотренных, либо был выбран недостаточно прочный материал. В любом случае необходимо провести комплексный анализ отказов, включая характеристику материала, анализ истории нагрузок и потенциальных воздействий на окружающую среду. Полученные результаты должны помочь в перепроектировании детали или выборе более подходящих материалов, чтобы предотвратить повторение.

Каковы примеры пластичных материалов?

Подавляющее большинство металлов, используемых в машиностроении, пластичны. Ниже перечислены некоторые распространенные примеры пластичных материалов:

• Алюминий: Высокая пластичность, особенно в отожженном виде; широко используется в строительстве, автомобилестроении и аэрокосмической промышленности.
• Низкоуглеродистая сталь: Очень пластичный и прочный; обычно используется в строительстве и производстве.
• Цинк: Умеренно пластичный, особенно при повышенных температурах; часто используется при цинковании и литье под давлением.
• Среднеуглеродистая сталь: Более низкая пластичность, чем у низкоуглеродистой стали, но при этом она способна к значительной пластической деформации.
• Медь: Чрезвычайно пластичный и податливый; идеально подходит для электропроводки и теплообменников.
• Золото: Один из самых пластичных и ковких известных металлов; используется в электронике и декоративных целях.

Каковы типы пластического разрушения?

Существует два основных типа пластического разрушения, различающихся уровнем пластичности материала. Они перечислены ниже:

1. Значительное сужение: Это относится к ситуации, когда высокопластичный материал испытывает растягивающую нагрузку, которая приводит к значительному образованию шейки (или уменьшению площади поперечного сечения) вплоть до разрушения. Эти материалы будут иметь значительную остаточную деформацию, прежде чем в конечном итоге выйдут из строя.
2. Чашка и конус: Этот вид разрушения возникает, когда материал с относительно более низкой степенью пластичности выходит из строя. Этот режим пластического разрушения вызван зарождением и слиянием пустот, что в конечном итоге приводит к росту трещин и разрушению.

В чем разница между пластичным разрушением и хрупким разрушением?

Пластическое разрушение происходит, когда материал подвергается нагрузке, превышающей его предел текучести, и начинает пластически деформироваться в течение определенного периода времени, прежде чем окончательно разрушится. Хрупкие материалы перед разрушением практически не подвергаются пластической деформации. Их предел прочности на разрыв и предел текучести близки друг к другу. Из-за отсутствия пластической деформации хрупкий материал не дает визуальных признаков того, что он вот-вот выйдет из строя.

Большинство материалов выходят из строя, потому что они демонстрируют некоторую комбинацию пластичного и хрупкого поведения, а скорость деформации и температура могут изменить поведение материала с пластичного на хрупкое или наоборот. 

Для получения дополнительной информации см. наше руководство по хрупкому разрушению.

Сводка

В этой статье представлен пластичный отказ, объяснено, что это такое, и обсуждено, как с ним справиться и предотвратить. Чтобы узнать больше о пластическом разрушении, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Binder Jetting и Material Jetting:ключевые различия в технологиях 3D-печати Испытание на удар по Шарпи:как измеряется ударная вязкость материала, процедура и интерпретация