Исследование трещиностойкости хрупких пористых материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

1 О * АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ИН. И.Н.ФРАНЦЕВИЧА

На правах рукописи

Сотник Александр Андреевич ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ХРУПКИХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ специальность 01.04.07 - физика твердого'тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-матекатических наук

Киев - 1994

Диссертация представлена в виде рукописи.

Работа выполнена в Институте проблем материаловедения АН Украины

Научные руководители: чл.-корр. АН Украины, доктор физико-

математических наук, профессор Фирстов С.А.

кандидат физико-математических наук Васильев А.Д.

Официальные оппоненты: чл.-корр. АН Украины, доктор физико-

матенатических наук, профессор Нильман Ю.В.

кандидат технических наук Ткач А.Н.

Ведущая организация: Инстиут сверхтвердых материалов АН Украины

Защита состоится " Д&" 1ЛЦЭИ'*._____ 1994 г. в __час.

на заседании специализированного совета Д 016.23.01 в Институте проблен материаловедения АН Украины (252680, Киев, ГСП, ул.Кржижан ов ско г о, 3 ) .

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИПМ АН Украины.

Автореферат разослан "_________ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Ю.Б.ПАДЕРНО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Иктуальность темы. Большинство материалов, особенно порошковых, металлических и керамических, бетоны, многие горные породы и т.д. являются пористыми. Пористость является неотъемлемой особенностью их строения и, наряд/ с химической и кристаллической структурой, эказывает существенное влияние на свойства. В настоящее время пористые материалы находят широкое применение в качестве фильтров, гомогенизаторов, диспергаторов, глушителей, элементов испарителей и теплообменников.

Вместе с тем, следует отметить, что широко бытует мнение о яористости как нежелательном элементе структуры материалов, в цепом отрицательно влияющем на механические свойства.

Вопросам теоретического и экспериментального анализа зависимости физических свойств хрупких материалов от пористости посвя-цено значительное число работ, авторы которых исследовали элек-гро- и теплопроводность, упругие свойства, прочностные характеристики в зависимости от объемного содержания пор в материале. Несмотря на несомненные достижения в этой области, развитие физической теории разрушения пористых материалов, основанной на учете их реальной структуры, остается одной из актуальных проблем современного физического материаловедения. Особо остро стоит эта проблема для спеченных материалов. Бе актуальность связана с необходимостью разработки новых и оптимизации традиционных технологий получения конструкционных материалов, прогнозирования разрушения и расчетов на прочность деталей и конструкций.

Однако, остается ряд невыясненых аспектов, связанных с ролью пор в процессе разрушения малопластичных материалов. Ввиду того, что разрушение материалов может реализовываться по различным механизмам с наличием (или отсутствием) пластической деформации, участие пор в процессе разрушения многопланово.. Решение этой проблемы может быть найдено только путем учета как механизмов разрушения, так и особенностей трансформации структуры материала при изменении объемного содержания пор.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы было выяснение роли пористости в формировании уровня трещиностой-кости хрупких материалов, разрушающихся по разным механизмам и эпределение влияние механизмов разрушения на характер зависимости грещиностойкости от пористости.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование влияния пор на трещиностойкость материалов, разрушающихся хрупко интеркристаллитно, сколом и слиянием пор.

2. Изучение особенностей разрушения материала, в котором наблюдается смена механизма разрушения при изменении пористости и анализ причин, приводящих к хрупко-пластичному переходу.

3. Исследование трещиностойкости пористого аморфного материала.

4. Получение аналитического выражения зависимости трещиностойкости хрупких материалов от пористости

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Механизмы разрушения оказывают решающее влияние на зависимость механических свойств материалов от пористости.

2. Закономерности влияния основных механизмов разрушения (скол, хрупкое межзеренное, пластичное посредством слияния пор) на вид зависимости трещиностойкости от пористости.

3. Аналитическое выражение зависимости трещиностойкости хрупких материалов от пористости, учитывающее зффект торможения трещины на порах.

4. Закономерности влияния пористости на смену механизмов деформации и разрушения пористых порошковых материалов.

Научная новизна. Впервые проведены систематические фракто-графические исследования порошковых материалов, разрушающихся по единому механизму разрушения в широком диапазоне пористостей. Установлены зависимости трещиностойкости от пористости для материалов, разрушающихся хрупко интеркристаллитно и сколом. Показано, что с ростом объемной пористости, происходит изменение параметров пористой структуры и характера взаимодействия трещины с порами, что приводит к увеличению трещиностойкости материалов, разрушающихся сколом. Предложена аналитическая зависимость трещиностойкости от пористости. На порошковом железе показано, что смена механизма разрушения от скола к слиянию пор при увеличении пористости обусловлена сменой механизма пластической деформации от двойникования к скольжению вследствие ограничения пористостью эфективного размера материала, способного накапливать механические напряжения. Впервые выполнено исследование прочностных свойств аморфного материала с нано-пористой структурой.

Практическая ценность работы. Установленные в работе особенности взаимодействия трещины с пористой структурой позволяют прогнозировать трещиностойкость пористых материалов и использо-

вать пористость для повышения трещиностойкости хрупких материалов. Установленная корреляция модуля упругости и корфологии пор открывает пути к конструированию материалов с заданными нехани-ческими параметрами путей управления их пористой структурой.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладовалхсь и обсуждались на Всесоюзном совещания "Хром-84" (Киев, 1984), V республиканской конференция "Физика разрушения" (Черновцы, 1985), Всесоюзной конференции "Новая технология, физические процессы прочности и пластичности прецизионных материалов" (Нижний.Новгород, 1988), VI Всесоюзной конференции "Физика разрушения", (Киев, 1989), Всесоюзной конференция "Физика прочности и пластичности металлов я сплавов" (Куйбышев, 1989), семинаре "Механика я физика разрушения хрупких и малопластичных материалов" (Рига, 1989, 1991), международной европейской конференции по разрушению ЕСГ-8 (Турин, 1990).

Публикации, основные положения диссертации опубликованы в 7 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит яз введеняя, четырех глав, выводов, списка использованной литературы я приложения. Работа изложена на 149 страницах, содержит 59 иллюстраций и список литературы из 113 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ .РАБОТЫ.

Во введении к диссертации обоснована актуальность работы, поставлены цель и задачи исследования, отмечена новизна полученных результатов и сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современных представлений о зависимости механических свойств материалов от пористости.

Обсуждается зависимость модуля упругости материалов от пористости. С ростом пористости модуль упругости монотонно убывает, его изменение может быть описано функцией типа

Е=Ео(1-Р)т. (1)

Проанализирована влияние пористости на прочность и энергию разрушения, которые, как я модуль упругости, убывают с ее ростом. Приведены аналитические зависимости прочности от пористости, предлагаемые разными авторами. Сделан вывод, что изненен^е энергии разрушения, как и прочности, контролируется изменением минимального сечения твердой фазы материала.

Рассмотрены случаи немонотонной зависимости трещиностойкости от пористости, связанные со сменой механизмов разрушения, указывающие на то, что без учета механизмов разрушения невозможно адекватно описать поведение прочностных свойств с ростом пористости.

Для изучения влияния пористости на трещиностойкость были выбраны материалы, сохраняющие единый механизм разрушения в широком диапазоне пористостей (молибден, разрушающийся хрупко интер-кристаллитно; хром, разрушающийся хрупко транскристаллитно; никель, разрушающийся пластично по механизму слияния пор; пористое железо, в котором наблюдается хрупко-пластичный переход; стекло с нано-пористостью, разрушающееся сколом. Методом контроля механизмов разрушения была выбрана растровая электронная микроскопия .

Во второй главе описаны экспериментальные результаты исследования трещиностойкости и прочности пористых порошковых материалов на.основе молибдена, хрома, никеля и железа.

Хрупкое межзеренное разрушение. Исследование завнсимосте! механических свойств молибдена, разрушающегося хрупко межзеренно от пористости (рис.1) показало, что поведение модуля упругости

Е. ГПа а, МПа

Рис. 1. Зависимости модуля упругости Е, прочности сг, трещиносто!-кости К1 и пористости в изломе от объемной пористости для Но.

прочности и трещиностойкости с ростом пористости хорошо аппроксимируется степенной функцией:

А = А0(1-Р)2, где А = (Е, К1с, <г), «то коррелирует с изменением площади поверхности разрушения, эпределенной по фрактограммам. Одиноковость зависимостей и Е указывает на то, что энергетические затраты на разрушение единицы юверхности несущего сечения материала есть величина постоянная и *е зависит от пористости. Принимая во внимание, что все механи-неские характеристики молибдена в зависимости от пористости изменяются по закону изменения несущего сечения материала, сделан зывод, что критическое сечение является определяющим параметром 1ри формировании уровня механических свойств материала, разрушавшегося хрупко межзеренно.

Скол. Исследование трещиностойкости и ударной вязкости хрома, разрушающегося сколом, обнаружило немонотонную зависимость трещиностойкости от пористости (рис. 2) с ярко выраженным максимумом в диапазоне пористостей 20-25%, существование которого связано с изменением структуры порового пространства материала, а зернее, с изменением степени и характера взаимодействия трещины с юрами, приводящего к росту энергетических затрат на разрушение зысокопористого материала в результате усиления эффекта торможения трещины на порах.

,с ЫПаи17* а., кДж/и*

Рис. 2. Зависимости трещиностойкости и ударной вязкости а

хс к

хрома от пористости.

При малом содержании пор (до 10/0', когда пористость состоит ■феимущественно из изолированных пор, взаимодействие трещины :кола с порами невелико. В этом диапазоне пористостей наблюдается монотонное падение К1с. Разрушение, происходит от одного ис.очни-<а, расположенного непосредственно под надрезом, а поверхность

разрушения гладкая, близка к плоской, без занетного макроскопического рельефа.

При пористостях выше 107. начинается трансформация отдельно расположенных пор в конгломераты, а затем в разветвленную пористую структуру. Происходит переход от материала с дефектами к двухфазному композиту, в котором роль второй фазы играют поры.

На этой и последующих стадиях формирования структуры трещина проходит по наименьшему сечению образца. На изломе наблюдаются множественные источники разрушения, размер фасеток скола приближается к размеру площадок межчастичных перешейков. Происходит торможение трещины вследствие затупления ее вершины на порах с последующей реинициацией острой трещины на поверхности раздела пора-твердая фаза. Схены распространения трещины в материалах с разной пористостью представлены на рисунке 3.

а б

Рис. 3. Схемы разрушения сколом материалов с малой (а) и высокой (б) пористостью.

Проведенные измерения показали, что при пористостях до 107. имеет место равенство доли пор в изломе и объемной пористости, что указывает на отсутствие взаимодействия трещины с порами. При дальнейшем росте объемной пористости доля пор в изломе резко возрастает и достигает 702 при значении объемной пористости 257., свидетельствуя о расширении зоны процесса разрушения. Таким образом, при росте пористости с 10 до 207. материал переходит из состояния материала с порами - дефектами в состояние двухфазного композита твердая фаза - поры. Свойства такого композита с ростом пористости улучшаются, но уменьшение несущего сечения, а также возростающая доля нежчастичного разрушения, приводит в дальнейшем к резкому снижению трещиностойкости.

Слияние пор. В формировании зависимости трещиностойкости материала, разрушающегося сколом, от пористости участвуют два процесса: уменьшение несущего сечения материала и усиление эффекта торможения трещины на порах с ростом объемной пористости.

Зависимость прочности спеченного порошкового никеля от пористости, измеренная при комнатной температуре, является типичной для материалов, разрушающихся по механизму слияния пор, (рис. 4) и хорошо описывается функцией типа (1) при показателе степени в=2.5, в то время, как поведе-кие модуля упругости так же мо- Щ1а кет быть описано функцией (1), «о с га=1.6. Наличие пористости з таком материале, приводит к тюкализации пластического тече-1ия в межпоровом пространстве и :ужению зон пластической дефор-«ации и разрушения в вершине трещины.

Провоцирование пористостью :мены механизма разрушения.

Особенностью разрушения юристого железа является хрупка - пластичный переход, проис-:одящий с ростом пористости, 'езультатом данного перехода [вляется немонотонный ход зави-имости трещиностойкости от ористости (рис. 5).

В изломах железа с обьем-ой пористостью менее 12'А аблюдаются язычки скола двой-иков, наличие которых типично при испытании материалов на основе елеза при низких температурах. Наряду со следами двойникования, близи локальных скоплений пор присутствуют участки разрушения по еханизму слияния пор, доля которых в изломе растет с ростом ористости.

При пористостях выше 15% признаки двойникования в г -,ломе счезают, но доля пластической составляющей возростает. Анализ эказал, что увеличение пористости происходит путем накопления

40 50 60 72 Р.% Рис.4. Зависимость прочности никеля от пористости.

К,с, ЫПои'л

Рис.5, Зависимость трещиностойкости железа от пористости.

количества пор, уменьшения расстояний между ними с последующим их слиянием. Сближение пор приводит к разделению материала на микрообъемы, что делает невозможным процессы двойникования и скола, переводя тем самым механизм пластической деформации в скольжение.

Максимальный уровень трещиностойкости имеет железо с 20Х пор, которое разрушается пластично по межчастичным перемычкам. В таком материале пористость полностью открытая и дальнейшее ее увеличение происходит путем укрупнения уже существующих пор, что, не изменяя картину напряжений в материале, ведет лишь к уменьшению несущего сечения.

Разрушение образцов с пористостью выше 22% происходит пластично с увеличивающейся долей хрупкого межчастичного разрушения по мере возрастания пористости, что приводит к резкому снижению уровня трещиностойкости.

Таким образом, увеличение трещиностойкости пористого порошкового железа обусловлено увеличением пористости, приведгеем к смене механизма разрушения от скола к слиянию пор. Однако, увеличение пористости способствовало также и развитию 'межчастичного хрупкого разрушения, что привело к резкому падению трещиностойкости при пористостях выше 22%.

Триботехнические свойства пористого железа. Материалы на основе порошкового железа широко применяются для изготовления узлов трения машин и механизмов. Практический интерес представляют данные по исследованию износа (как одного из видов разрушения) пористого железа. Зависимость триботехничёских свойств железа (износа и коэффициента трения) от пористости немонотонна. Экстремальные значения свойств наблюдаются в узких интервалах (1 - 3%) пористости. Характерно, что зависимости и износа при трении от пористости симбатны. Наибольшие различия в износе имеют образцы с пористостью от 16 до 2554, где экстремальные значения интенсивности изнашивания отличаются в 2 - 25 раз.

Особенностью испытанных на трение образцов с повышенным износом является большая пластическая деформация отдельных частиц (зерен) в зоне трения. Поры на поверхностях трения практически не просматриваются, а сами поверхности гладкие, на них хорошо видны следы резания при контакте с материалом контртела.

Для образцов с малым износом пластическая деформация в зоне трения менее выражена, поверхность трения имеет чешуйчатый вид. Разрушение происходит путем вырыва отдельных фрагментов материала

по межзеренным границам, что способствует устойчивости масляного клина на поверхности трения, и, тем самым, уменьшает износ.

В выводах ко второй главе отмечено:

1. При межзеренном разрушении порошкового молибдена экспериментальные зависимости модуля упругости, разрушающего напряжения и трещиностойкости от пористости могут быть хорошо аппроксимированы функцией типа А=Ао(1-Р)ш, при и=2. Величины измеренных прочности и трещиностойкости контролируются площадью межзеренных контактов, а поры, расположенные по границам зерен, облегчают прохождение хрупкой трещины. Роль пор сводится только к уменьшению контактного сечения обазца.

2. В изученном интервале пористостей величина удельной поверхностной энергии (отнесенной к несущему сечению материала) при хрупком межзеренном разрушении не зависит от объемной доли и размеров пор.

3. Зависимость модуля .упругости от пористости материала, разрушающегося сколом (порошкового хрома), аппроксимируется функцией:

Е=Ео(1-Р)п, при т = 3.2

4. Трещиностойкость и ударная вязкость разрушающегося сколом материала имеют немонотонную зависимость от пористости с выраженным максимумом в интервале пористостей 20 - 25%, который коррелирует со связностью пористой структуры.

5. Резкое падение трещиностойкости и ударной вязкости хрома при пористостях выше 35% связано с появлением в изломе участков хрупкого интеркрнсталлитного разрушения.

6. Наличие пористости в- никеле, разрушающемся по механизму слияния пор, приводит к подавлению макропластичности, способствуя локализации пластического течения в микрообъемах межпорового пространства непосредственно в зоне разрушения. Зависимость прочности от пористости может быть описана функцией типа сг - а0(1-Р)ш при ш = 2.5.

7. Зависимость трещиностойкости от пористости для спеченного порошкового железа носит немонотонный характер и формируется под влиянием смены механизмов разрушения по мере возростания пористости. Увеличение трещиностойкости при пористости 2054 обусловлено сменой механизма разрушения от хрупкого к пластичному, происходящей в результате смены механизма деформации от двойникования к скольжению вследствие релаксации напряжений на порах до уровня,

не способного обеспечить двойникование межпоровых объемов, размеры которых меньше некоторого критического, равного в изученном случае около 50 мкм.

8. Резкое понижение трещиностойкости железа с повышением объемной пористости выше 22% обусловлено нарастанием доли хрупкого меячастичного разрушения.

Третья глава посвящена изучению механических характеристик пористого аморфного материала (стекла) с нано-пористостью. Отмечено, что в таком материале другие элементы структуры, кроме пор, не наблюдаются.

Проведены исследования температурных зависимостей прочности и трещиностойкости материалов с пористостью 0, 8, 15, 20 и 25%. Построенные по экспериментальным данным зависимости трещиностойкости и прочности от пористости при трех температурах испытаний 20, 400 и 725°С (рис. б), обнаруживают наличие локального максимума при значении пористости 20%.

Рис. б. Зависимости прочности а и трещиностойкости стекла от пористости при температурах испытания 20, 400 и 725°С.

Существование максимума связывается со взаимодействием трещины с порами и изменением характера ее распространения, как отмечалось ранее при рассмотрении особенностей разрушения пористого хрома. Поскольку стекло является изотропным хрупким материалом, полученные данные являются "чистым" выражением зависимости трещиностойкости от пористости для хрупких материалов.

В выводах к третьей главе отмечено:

1. Характер зависимости механических свойств стекла от пористости вцелом такой же, как и для хрупко разрушающегося металлического материала.

2. Максимальную прочность, и трещиностойкость во всем интер-

1але температур имеют два материала: компактный и с пористостью '.0%. Причем, абсолютно максимальное значение прочности показывает гатериал с 20% пор при температуре 725°С.

3. Характер температурной зависимости <?изг остается постоян-шм для всех испытанных материалов и является типичным для хруп-шх материалов с трещиной.

4. Расчет энергетических затрат на разрушение пористого :текла обнаруживает наличие максимума при значении пористости 20%, что связано со взаимодействием трещины с порами, выражающе-;ся в торможении и притуплении трещины на порах.

Четвертая глава посвящена нахождению и обсуждению аналити-1еской зависимости трещиностойкости хрупких материалов от пористости .

В соответствии с теорией Гриффитса, коэффициент интенсивно-;ти напряжений, или трещиностойкость, может быть представлен как

К1с= /~5Еу,

где Е-модуль упругости, а т-поверхностная энергия разрушения.

Согласно Оровану, концентрация напряжений в вершине трещины может быть учтена в поверхностной энергии:

7эфф = 7 а"

где р - радиус вершины трещины, а - межатомное расстояние, а г -поверхностная энергия, рассчитанная для атомноострой трещины.

Что касается реального учета концентрации наряжений в вершине трещины, то одним из способов описания процесса распространения трещины в пористостом материале является учет затупление ее вершины при выходе в пору. Радиус скругления вершины трещины, в этом случае, приближается к радиусу поры, если последняя не имеет трещиноподобных складок рельефа на своей поверхности. Наибольшие затруднения при таком подходе вызывает тот факт, что реальное взаимодействие трещины с порой происходит только при достижении определенного размера пор и организации их структуры. Аналитический учет такого взаимодействия безусловно затруднителен ввиду сложности решения пространственной задачи о распределении напряжений. Знание механизмов разрушения материала позволяет учесть особенности такого взаимодействия полуэмпирическим путем и в некоторых случаях упростить решение задачи.

При построении моделей разрушения материала по мех шизму скола, в основу рассуждений следует положить не анализ механизмов развития и распространения трещины в материале, а условие пре-

О

ШЙШ

и

дельного равновесия трещины перед ее страгиванием, т.е. рассмотреть реальную остроту надреза непосредственно перед еще целым материалом. На рис. 7 представлены схемы положения фронта трещины в момент ее старта в материалах с различной пористостью. Фракто— графический анализ позволяет утверждать, что в материале с малой пористостью положение фронта трещины перед стартом соответствует положению вершины введенного надреза с электроискровой трещиной в нем. Для материалов с развитой пористой структурой (с пористостью выше 20%) фронт трещины проходит практически только через пористую структуру, т.е. радиус вершины трещины определяется размером и морфологией поверхности пор. Точный расчет радиуса вершины трещины в промежуточных случаях (когда фронт трещины пролегает как по твердой фазе, так и по порам) пока невозможен. Можно лишь утверждать, что при изменении пористости от 0 до 20% он изменяется от близкого к межатомному расстоянию а до некоторого значения г, близкого к размеру поры.

Значение радиуса вершины надреза в промежуточных случаях может быть определено из условий вероятностного характера распределения пор по объему материала, введя понятие эффективного радиуса вершины трещины, который учитывал бы состояние фронта трещины, находящегося в каждый конкретный момент времени как в порах, так и в твердой фазе.

"Я V?

с-Л. Р ■¿т'У б

♦ 2

«3

<1 «2

1 - надрез

2 - грешил ■ вершине надреза

3 - нордаруишшияЯса материал

Рис. 7. Схема старта трещины в материалах с малой (а), средней (б) и высокой (в) пористостью,

Если принять, что часть фронта трещины, находящегося в момент страгивания в твердой фазе имеет радиус р, а часть, находящаяся в порах, имеет радиус г, то для эффективного значения радиуса вершины трещины имеем:

"эфф- + г"п (2)

где и - есть вероятности нахождения фронта трещины в твердой фазе и в порах, соответственно. Исходя их условия непрерывности фронта трещины Таким образом:

Рэфф" Р+<г-Р>'*п (3)

Естественно предположить, что функция вероятности старта трещины с поры коррелирует со связностью пор и может быть описана функцией:

"п ~ (р/рк)2и ~ ВРИ 0<Р<Рк и (4)

1ГП - 1 - при Р*?^. где Р^- пористость, при которой весь фронт трещины пролегает в порах. »

Зависимость (4) получена из соображений вероятности встречи трещины с порой в критическом сечении материала и связности пористой структуры. Вероятность встречи с порой в критическом сечении равна Ри. Связность пористой структуры также пропорциональна Ри. По закону умножения вероятностей, искомая вероятность старта трещины с поры соответственно равна II — Р2ш. Учитывая, что эта величина равна 1 при некоторой пористости Р^<100%, окончательно выражение функции вероятности примет вид (4).

Зависимость же поверхностной энергии от пористости может быть представлена в виде

г=г0(1-Р)и,

где к — поверхностная энергия беспористого тела.

Учитывая полученные ранее соотношения для модуля упругости, концентрации напряжений и поверхностной энергии формула расчета трещиностойкости К1с хрупких тел примет вид:

или

к1с=к?с<1-р>т/1+ (5)

где - трещиностойкость беспористого материала

Анализ формулы (5) показывает, что в случае, когда Г'р, зависимость трещиностойкости от пористости приобретет вид

К1с=К?с(1-р)т-

характерный для материалов, разрушающихся по механизму хрупкого межзеренного разрушения (такого типа зависимость наблюдается для пористого молибдена), для которого типично наличие достаточно острых микротрещин в местах стыка зерен.

В случае, когда г > р, зависимость трещиностойкости от пористости немонотонна. Примеры такого поведения трещиностойкости демонстрируют хром и пористое стекло.

Очевидно, что чем больше г (поверхность пор более гладкая, а поры сферические и большого радиуса), тем заметнее эффект торможения трещины порами. Показано, что численное значение отношения г/р должно быть в пределах 2.5 (для стекла) - 20 (для хрома), что свидетельствует о наличии на поверхностях пор микронадрезов, складок и тому подобных острых дефектов.

В выводах к третьей главе отмечается, что формула (5) дае! как монотонную (г = р), так и немонотонную (г > р) зависимости трещиностойкости от пористости. Характер получаемой зависимости определяется структурными* особенностями материала, состояние!' внутренних границ раздела, которое в конечном счете определяв1] механизм его разрушения (рис. в).

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных приведен« на рисунке 9 и показывает удовлетворительное их согласие.

Общие выводы. В результате систематического изучения влиянш пористости на трещиностойкость хрупких материалов было установлено, что:

1. Вид зависимости трещиностойкости от пористости определяется прежде всего механизмом разрушения. При разрушении хрупк( межзеренно и пластично слиянием пор трещиностойкость монотонж уменьшается с увеличением пористости. При хрупком разрушении сколом трещиностойкость изменяется с ростом пористости немонотонно, при этом может быть указан интервал пористостей (15-25%), при котором пористость может оказывать упрочняющее действие, когда трещиностойкость (и ударная вязкость) может достигать и превышать уровень таковой для беспористого тела. Найдено, что подъем свойств происходит имен-

1- г / р=1

2- г / р=2

3- г / р=10 3

Рис. 8. Зависимость от по ристости, рассчитанная по (4)

К,е. «Паи"*

О

Р.%

10 б

'ис. 9. Сопоставление экспериментальных данных и расчетных значе-[ий зависимости К1с от пористости для хрома (а) и стекла (б).

о тогда, когда связность пор вырастает до своего максимального начения и материал переходит из состояния, в котором поры играют оль дефектов, в состояние, в котором развитая пористость превра-[ает материал в двухфазный композит, где роль второй фазы выполнит поры.

2. Получено аналитическое выражение зависимости трещиностой-ости хрупких материалов от пористости в виде

к1с-к°1с(1-р)в/ггЕё^;,

читывающее как морфологию пор, так и связность пористой структу-ы, которое справедливо для случаев транскристаллитного сколом и нтеркристаллиткого хрупкого разрушения.

3. В материалах, склонных к хрупко-пластичному переходу, ористость провоцирует смену механизма разрушения от скола к сли-нию пор. Показано, что в материалах на основе железа основной ричиной такого перехода является смена механизма пластической еформации от двойникйвания к скольжении. Установлено, что пере-од контролируется расстоянием между порами, которое при умень-ении до некоего критического размера (для исследованного порис-ого железа оно составляло около 50 мкм) делает невозможным реа-изацию в материале двойниковакия и скола.

4. Степень зависимости модуля упругости от пористости корре-ирует с формой пор. Чем форма пор ближе к сферической, тем пока-атель т в формуле Е=Е0(1-Р)И меньше. Так, для близких к сфери-зским пор т=2 (молибден). Для округлых пор малого диамет: а ш-3 зтекло). Для тетраэдрических пор с закругленными краями т—3,2 >сром). Для разветвленных пор сложной формы и=3,б (железо).

5. Аморфный пористый материал типа силикатного стекла, разрушающегося сколом, также обнаруживает немонотонную зависимость прочности и трещиностойкости от пористости. Причем, увеличение свойств при пористости 20% с ростом температуры испытаний становится более выразительным, указывая на тенденцию к смене механизма разрушения от скола к слиянию пор.

6. Триботехнические свойства порошкового железа контролируются состоянием внутренних границ раздела и механизмами разрушения материала при истирании. Так, образцы, склонные к межзерен-ному разрушению и обладающие низкой трещиностойкостью, в которых при испытаниях на трение наблюдалось микрорастрескивание и разрушение путем отрыва фрагментов (зерен) материала, показывали уровень свойств на порядок превышающий таковой для материалов с более совершенными границами и высокой трещиностойкостью.

В приложении приведен текст программы расчета параметров пористой структуры, позволяющей с повышенной, по сравнению с широко применяемой линейной интерполяцией, точностью получать дифференциальную кривую распределения пор по размерам.

Основные результаты работы опуликованы в:

1. Сотник A.A., Слысь И.Г. Фрактографические особенности разрушения пористого хрома. Тез. докл. V респ. конф. "Физика разрушения", Черновцы, 1985, с.167-168.

2. Васильев А.Д., Сотник A.A., Фирстов С.А. Влияние пористости на прочность и разрушения хрупких материалов. Тез. докл. Все-союзн. конф. "Новая технология, физические процессы прочности и пластичности прецизионных материалов", НПИ, 1988, с.77

3. Сотник A.A. Влияние пористости на прочность и вязкость разрушения хрупких порошковых материалов. Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. "Физика разрушения", Киев, 1989.

4. Сотник A.A., Васильев А.Д., Фирстов С.А., Слысь И.Г. Зависимость трещиностойкости хрупких порошковых материалов от пористости при транс- и интеркристаллитном разрушении. Сб."Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" Куйбышев, 1989, с.47

5. Сотник A.A., Васильев А.Д., Слысь И.Г. Влияние пористости на трециностойкость хрупких порошковых материалов. Сб."Электронная микроскопия и прочность материалов", Киев, ИПИ, 1989, с.34-40

6. Васильев А.Д., Сотник A.A., Фирстов С.А., Слысь И.Г., Подрезов D.H. Влияние пористости на вязкость разрушения материалов, разрушающихся сколом. Сб."Механика и физика разрушения хрупких материалов", ИПМ, Киев, 1990, с.95-99.

7. Vasilev A.D., Sotnik A.A., Firstov S.A., Slis I.G., Cher-nishov L.I. Effect of porosity on fracture toughness of brittle powder materials. In "Fracture behaviour and Design of Materials and Structure", EMAS, London, England, 1990, pp. 1151-1156.