Teoria Joffe'a i Fridmana - pękanie kruche

Materiał, zależnie od wielu zróżnicowanych czynników, może ulegać pękaniu plastycznemu lub kruchemu. Jednym z kluczowych czynników determinujących rodzaj niszczenia jest temperatura pracy. Obniżenie temperatury u większości metali oraz ich stopów stosowanych w technice wywołuje utratę ich plastyczności, co powoduje ich kruche pękanie. Graniczną temperaturą, powyżej której metal lub stop jest plastyczny, zależy od jego składu chemicznego oraz prędkości obciążania. Poza tym istotnymi czynnikami są również czystość metalu, wielkość ziarna, czy obecność karbów strukturalnych.

Istnieją metale oraz stopy, które tracą własną plastyczność w temperaturach zbliżonych do temp. pokojowej (np. molibden), a także metale, które tracą plastyczność w temp. niższych od 0^oC (np. niob i żelazo), a także metale, które tracą plastyczność w temp. znacznie wyższych od temperatury otoczenia (np. wolfram i chrom).

Teorie wyjaśniające zjawisko przechodzenia metalu ze stanu plastycznego w kruchy

Teoria A. F. Joffe’a

Jedną z teorii, która wyjaśnia zjawisko przechodzenia metalu ze stanu plastycznego w kruchy, jest teoria A. F. Joffe’a, który założył, że granica plastyczności i naprężenia niszczącego nie są ze sobą powiązane, a także, że granica plastyczności zależy w większym stopniu od temperatury niż od naprężenia niszczącego. Zatem według Joffe’a istnieje pewna temperatura T_k, w której naprężenia odpowiadające granicy plastyczności i naprężeń niszczących metal są równe.

W temperaturach wyższych od T_k metal jest niszczony plastycznie, a temperaturach niższych od T_k metal niszczony jest krucho. W pierwszym przypadku rosnące naprężenia najpierw osiągają granicę plastyczności, a potem niszczą materiał. W drugim przypadku rosnące naprężenia najpierw niszczą materiał. Temperatura T_k określana jest również jako próg kruchości na zimno.

Teoretycznie przejście progu kruchości na zimno powinno być nagłe i odbywać się w stałej temperaturze. Jednak przejście to odbywa się w pewnym zakresie temperaturowym. Obecność karbu w materiale wywołuje koncentrację naprężeń, zmniejszając podatność metalu na odkształcenia plastyczne i podwyższa temperaturę przejścia ze stanu plastycznego w kruchy. Taki efekt wynika z faktu, że próbka metalu z domieszką karbu ulegnie kruchemu zniszczeniu w wyższych temperaturach niż ta sama próbka bez domieszki karbu.

Teoria Fridmana

Rozwinięciem teorii Joffe’a jest teoria Fridmana, która tłumaczy charakter zniszczenia materiału przy różnych sposobach jego obciążania i przy stałej temperaturze stosunkiem maksymalnego naprężenia ścinającego do największego zastępczego naprężenia rozciągającego. Stosunek ten w przypadku trójosiowego rozciągania jest mniejszy od 0,4, a w przypadku rozciągania jednoosiowego wynosi 0,5. Dla skręcania stosunek wynosi 1.

Maksymalne naprężenie ścinające i największe zastępcze naprężenie rozciągające zależą od temperatury oraz zmieniają się analogicznie do własności wytrzymałościowych materiału. Dzięki temu możliwe jest określenie temperatury przejścia materiału ze stanu plastycznego w kruchy. Progowa temperatura jest najniższa przy skręcaniu materiałów, a najwyższa przy zginaniu udarowym. Dlatego też próba udarności stosowana jest najczęściej do wyznaczania temperatury przejścia.

Innym czynnikiem, który wpływa na temperaturę przejścia, jest zanieczyszczenie metalu tlenem azotem i wodorem, a także fosforem, które podwyższają temperaturę przejścia, pogarszając własności eksploatacyjne materiałów, a także często uniemożliwiając ich obróbkę plastyczną.