Охрупчивание — это значительное снижение пластичности материала, что делает его хрупким . Охрупчивание используется для описания любых явлений, когда окружающая среда ухудшает механические характеристики напряженного материала, например, температура или состав окружающей среды. Это часто нежелательно, поскольку хрупкое разрушение происходит быстрее и может распространяться гораздо легче, чем пластичное разрушение, что приводит к полному отказу оборудования. Различные материалы имеют разные механизмы охрупчивания, поэтому оно может проявляться различными способами: от медленного роста трещин до снижения пластичности и вязкости при растяжении.
Охрупчивание — это сложный механизм, который до конца не изучен. Механизмы могут быть вызваны температурой, напряжениями, границами зерен или составом материала. Однако, изучая процесс охрупчивания, можно принять превентивные меры для смягчения последствий. Существует несколько способов изучения механизмов. Во время охрупчивания металла (ME) можно измерить скорость роста трещин. Компьютерное моделирование также может использоваться для прояснения механизмов, лежащих в основе охрупчивания. Это полезно для понимания водородного охрупчивания (HE), поскольку можно смоделировать диффузию водорода через материалы. Охрупчивающий фактор не играет роли в окончательном разрушении; он в основном отвечает за распространение трещин. Трещины должны сначала зародиться. Большинство механизмов охрупчивания могут вызывать разрушение транскристаллитно или межкристаллитно. Для охрупчивания металла восприимчивы только определенные комбинации металлов, напряжений и температур. Это контрастирует с коррозионным растрескиванием под напряжением, когда практически любой металл может быть восприимчивым при наличии правильной среды. Однако этот механизм гораздо медленнее, чем механизм жидкометаллического охрупчивания (LME), что позволяет предположить, что он направляет поток атомов как к трещине, так и от нее. Для нейтронного охрупчивания основным механизмом являются столкновения внутри материала с побочными продуктами деления.
Одним из наиболее обсуждаемых и пагубных видов охрупчивания является водородное охрупчивание металлов. Существует множество способов, которыми атомы водорода могут диффундировать в металлы, в том числе из окружающей среды или во время обработки (например, гальванопокрытия). Точный механизм, вызывающий водородное охрупчивание, до сих пор не определен, но предложено много теорий, которые все еще проходят проверку. [1] Атомы водорода, вероятно, диффундируют к границам зерен металлов, что становится барьером для движения дислокаций и создает напряжение вблизи атомов. Когда металл находится под напряжением, напряжение концентрируется вблизи границ зерен из-за атомов водорода, что позволяет трещине зарождаться и распространяться вдоль границ зерен, чтобы снять накопленное напряжение.
Существует много способов предотвратить или уменьшить влияние водородной хрупкости металлов. Один из наиболее традиционных способов — нанести покрытия на металл, которые будут действовать как диффузионные барьеры, предотвращающие попадание водорода из окружающей среды в материал. [2] Другой способ — добавить в сплав ловушки или поглотители, которые поглощают атом водорода и образуют другое соединение.
Дуплексная нержавеющая сталь широко используется в промышленности, поскольку она обладает превосходной стойкостью к окислению, но может иметь ограниченную прочность из-за большого размера ферритного зерна и тенденции к охрупчиванию при температурах от 280 до 500 °C, особенно при 475 °C, где происходит спинодальный распад пересыщенного твердого раствора феррита на богатую железом нанофазу ( ) и богатую хромом нанофазу ( ), сопровождающийся выделением G-фазы, [3] [4] [5] что делает ферритную фазу предпочтительным местом зарождения микротрещин. [6]
Радиационное охрупчивание, также известное как нейтронное охрупчивание , — явление, которое чаще всего наблюдается в реакторах и атомных электростанциях, поскольку эти материалы постоянно подвергаются воздействию постоянного количества радиации. Когда нейтрон облучает металл, в материале образуются пустоты, что известно как распухание пустот. [7] Если материал находится в состоянии ползучести (при низкой скорости деформации и высокой температуре), пустоты будут объединяться в вакансии, что ставит под угрозу механическую прочность заготовки.
При низких температурах некоторые металлы могут подвергаться вязко-хрупкому переходу, который делает материал хрупким и может привести к катастрофическому отказу во время эксплуатации. Эту температуру обычно называют температурой вязко-хрупкого перехода или температурой охрупчивания. Исследования показали, что низкотемпературное охрупчивание и хрупкое разрушение происходят только при следующих конкретных критериях: [8]
Все металлы могут соответствовать критериям 1, 2, 4. Однако только ОЦК и некоторые ГПУ-металлы соответствуют третьему условию, поскольку они имеют высокий барьер Пайерла и сильную энергию упругого взаимодействия дислокаций и дефектов. Все ГЦК и большинство ГПУ-металлов имеют низкий барьер Пайерла и слабую энергию упругого взаимодействия. Пластики и резины также демонстрируют тот же переход при низких температурах.
Исторически известно множество случаев, когда люди эксплуатировали оборудование при низких температурах, что приводило к неожиданным, но также и катастрофическим отказам. В Кливленде в 1944 году цилиндрический стальной резервуар, содержащий сжиженный природный газ, разорвался из-за его низкой пластичности при рабочей температуре. [9] Другим известным примером был неожиданный разрыв 160 кораблей «Либерти» времен Второй мировой войны в зимние месяцы. [10] Трещина образовалась в середине кораблей и распространилась насквозь, буквально разорвав корабли пополам.
Механизмы охрупчивания аналогичны механизмам металлов. Охрупчивание неорганического стекла может проявляться через статическую усталость . Охрупчивание стекол, таких как Pyrex , является функцией влажности . Скорость роста трещин линейно зависит от влажности, что предполагает кинетическую зависимость первого порядка . Статическая усталость Pyrex по этому механизму требует, чтобы растворение было сосредоточено на кончике трещины. Если растворение равномерно вдоль плоских поверхностей трещины, кончик трещины будет притуплен. Это притупление может фактически увеличить прочность материала на разрыв в 100 раз. [13]
Охрупчивание композитов SiC / оксида алюминия служит поучительным примером. Механизм этой системы в первую очередь заключается в диффузии кислорода в материал через трещины в матрице. Кислород достигает волокон SiC и производит силикат . Напряжение концентрируется вокруг новообразованного силиката, и прочность волокон ухудшается. Это в конечном итоге приводит к разрушению при напряжениях, меньших, чем типичное напряжение разрушения материала. [14]
Полимеры имеют широкий спектр составов, и это разнообразие химии приводит к широкому спектру механизмов охрупчивания. Наиболее распространенными источниками охрупчивания полимеров являются кислород в воздухе, вода в жидкой или паровой форме, ультрафиолетовое излучение солнца, кислоты и органические растворители . [15]
Одним из способов, которым эти источники изменяют механические свойства полимеров, является разрыв цепи и сшивание цепи . Разрыв цепи происходит, когда атомные связи в основной цепи разрываются, поэтому среды с такими элементами, как солнечное излучение , приводят к этой форме охрупчивания. Разрыв цепи уменьшает длину полимерных цепей в материале, что приводит к снижению прочности. Сшивание цепи имеет противоположный эффект. Увеличение числа сшивок ( например, из-за окислительной среды) приводит к получению более прочного, менее пластичного материала. [16]
Термическое окисление полиэтилена является качественным примером охрупчивания разрывом цепи . Случайный разрыв цепи вызвал изменение от пластичного к хрупкому поведению, как только средняя молярная масса цепей упала ниже критического значения. Для полиэтиленовой системы охрупчивание произошло, когда средняя молярная масса упала ниже 90 кг/моль. Причиной этого изменения было выдвинуто предположение, что причиной является уменьшение запутанности и увеличение кристалличности . Пластичность полимеров, как правило , является результатом их аморфной структуры, поэтому увеличение кристалличности делает полимер более хрупким. [17] В случае полиэтилентерефталата гидролиз вызывает охрупчивание разрывом цепи. [18] Было показано, что ухудшение механических свойств коррелирует с уменьшением подвижной аморфной фракции (MAF), и что переход от пластичного к хрупкому происходит при достижении минимального MAF. [19] Это подтверждает микромеханическую интерпретацию механизма охрупчивания, а не молекулярную.
Охрупчивание силиконовой резины происходит из-за увеличения количества цепных сшивок. Когда силиконовая резина подвергается воздействию воздуха при температурах выше 250 °C (482 °F), окислительные реакции сшивания происходят в метильных боковых группах вдоль основной цепи. Эти поперечные связи делают резину значительно менее пластичной. [20]
Растрескивание под действием растворителя является существенным механизмом охрупчивания полимеров. Оно происходит, когда жидкости или газы поглощаются полимером, в конечном итоге разбухая система. Разбухание полимера приводит к меньшему сдвиговому потоку и увеличению восприимчивости к образованию трещин . Растрескивание под действием растворителя от органических растворителей обычно приводит к статической усталости из-за низкой подвижности жидкостей. Растрескивание под действием растворителя от газов с большей вероятностью приведет к большей восприимчивости к образованию трещин. [21]
Поликарбонат является хорошим примером растрескивания под действием растворителя. Было показано, что многочисленные растворители охрупчивают поликарбонат (например, бензол , толуол , ацетон ) посредством аналогичного механизма. Растворитель диффундирует в объем, разбухает полимер, вызывает кристаллизацию и в конечном итоге создает интерфейсы между упорядоченными и неупорядоченными областями. Эти интерфейсы создают пустоты и поля напряжений, которые могут распространяться по всему материалу при напряжениях, намного меньших, чем типичная прочность полимера на разрыв. [22]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )