Proces pękania metali

Analiza przyczyn pękania ciał stałych jest jednym z najistotniejszych zagadnień, którym zajmuje się współczesne materiałoznawstwo. Ze względu na stosowanie coraz lepszych i doskonalszych rozwiązań konstrukcyjnych w budowie urządzeń i maszyn, a także poprzez unowocześnianie metod technologicznych wytwarzania materiałów, marginalizuje możliwość pękania elementów konstrukcyjnych podczas ich pracy. Niemniej jednak pękanie ciał stałych wciąż występuje i nie należy bagatelizować tego zjawiska.

Problem pękania metali oraz ich stopów jest skomplikowany i złożony, a charakter zniszczeń uzależniony jest od wielu czynników. Zalicza się do nich m.in.:

• budowa krystaliczna materiału,
• skład chemiczny oraz struktura materiału,
• temperatura pracy,
• aktywność otoczenia,
• charakter obciążenia (statyczny, dynamiczny, zmęczeniowy),
• stan naprężenia wywołany obciążeniami (zginanie, skręcanie, ścinanie, rozciąganie, ściskanie),
• technologia obróbki, jakiej poddano pracujący element.

Pęknięcie – zwane również dekohezją – wynika z pokonania międzyatomowych sił spójności wynikających z wiązania metalicznego. Pęknięcie może mieć charakter kruchy lub plastyczny, a każdemu pęknięciu towarzyszy utworzenie się złomu, czyli charakterystycznej powierzchni zależnej od charakteru pęknięcia.

Powstawanie złomu

Złom kruchy powstaje podczas pękania materiału w obszarze odkształceń sprężystych, gdy pęknięcie nie jest poprzedzone odkształceniem plastycznym. Niemniej jednak również w przypadku pękania kruchego obserwuje się mniejsze lub większe odkształcanie plastyczne materiału, które poprzedza jego zniszczenie. Złom oddzielony w ten sposób nosi nazwę złomu rozdzielczego, a złom kruchy jest jedynie jednym ze szczególnych przypadków powstania złomu rozdzielczego. Złom rozdzielczy powstaje na skutek oderwania materiału.

Powstawanie złomu plastycznego (poślizgowego) zawsze poprzedzone jest dużymi odkształceniami plastycznymi, które zachodzą w płaszczyznach poślizgów. Podczas powstawania złomu plastycznego zniszczenie materiału powstaje na skutek ścięcia.

Powierzchnia złomu zależna jest od głównych kierunków stanu naprężeń, które wywołane było obciążeniem elementu. Makroskopowa analiza powierzchni złomu pozwala określić charakter zniszczenia.

Proces pękania ciał stałych

Pękanie ciał krystalicznych determinowane jest jednym z kilku określonych mechanizmów. Wyróżnić możemy pęknięcia plastyczne mające przebieg transkrystaliczny i poprzedzane dużym odkształceniem plastycznym, a także pęknięcia kruche przebiegające transkrystalicznie lub międzykrystalicznie. Tego typu pęknięcia najlepiej uwidaczniają się w monokryształach, ponieważ w polikryształach granice ziaren komplikują przebieg pękania materiału.

Pęknięcia kruche międzykrystaliczne występują zwykle w elementach pracujących pod obciążeniem statycznym w temperaturach obniżonych oraz w elementach poddanych obciążeniom dynamicznym w temperaturze otoczenia. Związane jest to z segregacją składu chemicznego w ziarnach lub na ich granicach oraz z wydzielaniem kruchej fazy.

Pękanie jest dwuetapowym procesem. Pierwszy etap polega na zainicjowaniu pęknięcia, a drugi na rozroście pęknięcia na przekrój elementu. Inicjacja pęknięcia poprzedzona jest plastycznym odkształceniem. Rozrost pęknięcia przy pękaniu plastycznym również poprzedzony jest plastycznym odkształceniem elementu, które wywołuje jego umocnienie. Rozwój pęknięcia kruchego zachodzi bez odkształcania plastycznego.