Транскристаллический перелом — это тип разрушения , который происходит через зерна или кристаллы материала. В отличие от межзеренных трещин , которые возникают, когда трещина проходит через границы зерен, этот тип разрушения пересекает микроструктуру материала непосредственно через отдельные зерна. Этот тип разрушения обычно возникает в результате сочетания высоких напряжений и дефектов материала, таких как пустоты или включения, которые создают путь для распространения трещин через зерна. Широкий спектр пластичных или хрупких материалов, включая металлы, керамику и полимеры, может подвергаться транскристаллитному разрушению. При исследовании с помощью сканирующей электронной микроскопии этот тип перелома обнаруживает ступени спайности, речные узоры, отметины перьев, ямочки и язычки. [1] Он повторяет края решеток в зернистом материале , игнорируя зерна в отдельных решетках. В результате получается довольно гладкий на вид излом с меньшим количеством острых краев, чем тот, который следует за меняющимися зернами. [2] Это можно представить в виде нескольких частей деревянного пазла , на которых видны зерна, но на каждом кусочке зерна идут в разном направлении. Трансгранулярный перелом следует за волокнами древесины, а не за краями частей головоломки. Это противоположность межкристаллитному перелому .
Механизм трансгранулярного перелома
Механизм транскристаллитного разрушения может варьироваться в зависимости от материала и окружающих условий, при которых происходит разрушение. [3] Однако в процесс транскристаллитного разрушения обычно входят некоторые общие этапы:
Зарождение трещины. Первым шагом транскристаллитного разрушения является возникновение трещины внутри материала. Это может быть вызвано рядом факторов, таких как производственные дефекты, дефекты поверхности или воздействие условий высокой нагрузки.
Распространение трещины: как только трещина возникла, она может распространиться по всему материалу в результате концентрации напряжений и других факторов.
Пластическая деформация: по мере распространения трещины материал вблизи трещины подвергается значительной пластической деформации из-за локальной концентрации напряжений. Эта деформация может привести к образованию небольших пустот или дефектов внутри материала, что еще больше способствует распространению трещин.
Слияние пустот: по мере распространения трещины эти небольшие пустоты могут расти и сливаться, образуя более крупные пустоты или полости внутри материала. Эти пустоты могут еще больше ослабить материал и способствовать распространению трещины.
Окончательный разрыв. В конце концов, совокупное воздействие распространения трещин, пластической деформации и слияния пустот может привести к окончательному разрушению материала, что приведет к транскристаллитному разрушению.
В пластичных металлах пластическая деформация материала может быть решающим фактором процесса транскристаллитного разрушения, тогда как в хрупких материалах, таких как керамика, на образование и рост трещин могут влиять такие факторы, как размер зерна, пористость и наличие примесей или других дефектов.
Факторы, влияющие на трансгранулярный перелом
Температура. Температура, при которой загружается материал, также может влиять на возникновение и характеристики транскристаллитных трещин. В некоторых материалах возникновение транскристаллитного разрушения может увеличиваться при более низких температурах из-за повышенного охрупчивания или снижения пластичности. [4]
Наличие дефектов или включений. Как упоминалось ранее, наличие пустот или включений внутри материала может создавать локализованные области концентрации напряжений и ослаблять материал, делая его более восприимчивым к транскристаллитному разрушению. Размер, форма и ориентация этих дефектов могут влиять на вероятность и тяжесть перелома. [5]
Факторы окружающей среды: присутствие определенных газов, жидкостей или других факторов окружающей среды также может повлиять на вероятность транскристаллитного разрушения. Например, водородное охрупчивание может вызвать транскристаллитные разрушения в некоторых материалах, ослабляя материал на микроскопическом уровне. [6]
Состояние поверхности. Состояние поверхности материала, включая наличие царапин, трещин или других дефектов, также может влиять на возникновение и путь транскристаллитного разрушения. [7]
Условия нагрузки: высокие концентрации напряжений, высокие скорости нагрузки и циклическая нагрузка могут увеличить вероятность транскристаллитных переломов. Направление приложенного напряжения также может влиять на ориентацию и путь распространения трещины. [8]
Переход от межзеренного к транскристаллитному разрушению
Поведение материалов при разрушении можно существенно изменить с помощью проектирования границ зерен на основе преципитации. Например, Мейндлюмер и др. ал. [9] создали тонкую пленку AlCrN, содержащую определенное распределение выделений внутри границ зерен при проектировании границ зерен на основе выделений. Выделения действовали как барьер для распространения трещин, увеличивая устойчивость материала к межкристаллитному растрескиванию. Кроме того, выделения изменили распределение напряжений внутри материала, вместо этого способствуя транскристаллитному распространению трещин. Кроме того, было показано, что более мелкие выделения с более равномерным распределением более эффективно способствуют транскристаллитному разрушению.
Рекомендации
^ Паркс, Брайан (16 марта 2012 г.). «Перелом труб: определение причины». Буровой подрядчик . Проверено 11 мая 2023 г.
^ «Типы хрупкого разрушения». Архивировано из оригинала 30 января 2016 г.
^ Кортни, Томас Х. (2005). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Уэйвленд Пресс. ISBN1577664256.
^ Сю, Д. -GC; Гош, АК (15 июля 1994 г.). «Влияние температуры на механизм разрушения композита 2014А1/15об.%Al2O3». Материаловедение и инженерия: А. 184 (1): 27–35. дои : 10.1016/0921-5093(94)91071-5. hdl : 2027.42/31436 . ISSN 0921-5093.
^ Чаритидис, Калифорния; Каракасидис, Т.Э.; Кавурас, П; Каракостас, Че (4 июля 2007 г.). «Влияние размеров кристаллических включений на режимы разрушения стеклокерамических материалов». Физический журнал: конденсированное вещество . 19 (26): 266209. doi : 10.1088/0953-8984/19/26/266209. ISSN 0953-8984.
^ Робертсон, IM; Табата, Т.; Вэй, В.; Хойбаум, Ф.; Бирнбаум, Гонконг (1 августа 1984 г.). «Водородное охрупчивание и разрушение границ зерен». Скрипта Металлургика . 18 (8): 841–846. дои : 10.1016/0036-9748(84)90407-1. ISSN 0036-9748.
^ Сингх, Дилип; Шетти, Динеш К. (январь 1989 г.). «Вязкость разрушения поликристаллической керамики при комбинированном режиме I и II нагружения». Журнал Американского керамического общества . 72 (1): 78–84. doi :10.1111/j.1151-2916.1989.tb05957.x. ISSN 0002-7820.
^ Педерсен, Кетилл О.; Борвик, Торе; Хопперстад, Одд Стуре (1 января 2011 г.). «Механизмы разрушения алюминиевого сплава АА7075-Т651 при различных условиях нагружения». Материалы и дизайн . 32 (1): 97–107. doi :10.1016/j.matdes.2010.06.029. ISSN 0261-3069.
^ Мейндлумер, М.; Цигельвангер, Т.; Залесак, Дж.; Ганс, М.; Лёфлер, Л.; Спор, С.; Ягер, Н.; Старк, А.; Хруби, Х.; Дэниел, Р.; Холец, Д.; Шнайдер, Дж. М.; Миттерер, К.; Кекес, Дж. (15 сентября 2022 г.). «Дизайн границ зерен на основе осадков изменяет межзеренное разрушение в тонких пленках AlCrN». Акта Материалия . 237 : 118156. doi :10.1016/j.actamat.2022.118156. ISSN 1359-6454.
