З практичної точки зору розгляд крихкого руйнування набагато важливіший, ніж в'язкого. Це найбільш небезпечний вид руйнування, що йде катастрофічно швидко і під дією порівняно низьких напружень. Тому відомості про механізм крихкого руйнування та умови, які йому сприяють або його ускладнюють, особливо важливі.
Як уже наголошувалося, метали і сплави ідеально крихко, тобто без попередньої пластичної деформації, не руйнуються. Крихка тріщина, так само як і в'язка, виникає, за сучасними переконаннями, внаслідок пластичної деформації.
Крихка тріщина (тріщина сколювання) при внутрішньозеренному руйнуванні, як правило, поширюється вздовж кристалографічної площини з малими індексами. Наприклад, у металах з ГЦК ґратками – по площині базису, з ОЦК ґратками – уздовж {001}. При міжзеренному руйнуванні крихка тріщина в однофазних матеріалах поширюється по поверхні меж зерен, а за наявності на межах другої фази – вздовж міжфазної поверхні або вздовж поверхні сколювання всередині включень. Залежно від характеру поширення тріщини структура поверхні руйнування виходить різною. В цілому структура поверхні сколювання різко відрізняється від в'язкого зламу. При простому огляді крихкий злам, як правило, блискучий або має колір фаз, розміщених по межах зерен. Під мікроскопом видно, що внутрішньокристалітний крихкий злам не ідеально гладкий. На поверхні сколювання, як правило, є сходинки, що надають структурі вигляду «рівчакових» узорів (рис. 6.3 б). У полікристалічних зразках вигляд цих узорів при переході від зерна до зерна змінюється. Кожна лінія рівчакового узору відповідає різниці в рівнях, тобто сходинці на поверхні зламу. Поява сходинок у деяких випадках пов'язана з тим, що руйнування йде шляхом поширення одночасно декількох паралельних тріщин, які з'єднуються одна з одною внаслідок розриву тонких перемичок. Проте у більшості випадків крихке руйнування відбувається шляхом поширення однієї тріщини.
Крихке руйнування легше піддається кількісному аналізу. Для ідеально крихкого руйнування пружного тіла, коли пластична деформація зовсім не йде, широко використовується критерій Гріффітса
.
Тут ? – найменше розтягувальне напруження, необхідне для поширення крихкої тріщини; Е – модуль Юнга; ? – поверхнева енергія стінок тріщини, віднесена до одиниці її площі; с – половина довжини тріщини.
Критерій Гріффітса виходить з положення про те, що тріщина поширюється, якщо збільшення ? менше енергії деформації, що визволяється внаслідок зростання тріщини.
З рівняння бачимо, що напруження обернено пропорційне до кореня квадратного з довжини тріщини. Отже, в процесі поширення тріщини необхідне для цього напруження зменшується, відтак це процес самоприскорюваний. При цьому передбачається, що крихкий матеріал ще до випробування містить тріщину або тріщини, біля вершин яких концентруються напруження, що поступово досягають значень, достатніх для поширення тріщин.
З позицій теорії дислокації кристалічних твердих тіл В. С. Іванова, Л. К. Гордієнко та ін. запропоновано декілька різних механізмів зародження тріщин. Тріщини можуть виникати:
- унаслідок взаємодії дислокацій у скупченні;
- унаслідок утворення скупчень і взаємодій дислокацій, рухомих у пересічних системах ковзання;
- за відсутності перешкод для дислокацій.
Скупчення дислокацій в окремих площинах ковзання виникають через перешкоди на шляху руху дислокацій (межі двійників і зерен із великими кутами дезорієнтації, міцні сторонні включення та ін.).
За Зінером утворення тріщин у результаті взаємодії дислокацій у скупченні може виникнути внаслідок зростання на кінці смуги ковзання концентрації нормальних напружень до рівня когезійної міцності. Пізніше ним запропонована модель зародження тріщин унаслідок скупчення дислокацій у смузі ковзання, заблокованою межею зерна (незавершене зрушення). Під дією дотичного напруження дислокації можуть злитися й утворити тріщину (рис. 6.4 а).
а б в
Рисунок 6.4 – Моделі зародження тріщин: а – нагромадження дислокацій у смузі ковзання; б – перетини смуг ковзання; в – розрив малокутової межі
А. Н. Стро розрахував цю модель. Припускаючи, що руйнування повинне відбутися, коли пружна енергія перевищить поверхневу енергію, необхідну для утворення тріщини, у результаті одержав такий вираз для критерію руйнування:
,
де ? – напруження в площині ковзання, що діє на скупчення дислокацій; Us – поверхнева енергія матеріалу; L – довжина площини ковзання, зайнята дислокаціями скупчення.
Величина L визначається з рівняння
,
де b – вектор Бюргерса; G – модуль зсуву; ? – коефіцієнт Пуассона; n – число дислокацій у скупченні.
Підставивши значення L в рівняння, можна розрахувати кількість дислокацій (n) у групі скупчення при руйнуванні:
.
Утворення тріщин внаслідок взаємодії дислокацій, одночасно рухомих у пересічних системах ковзання, відбувається завдяки злиттю їх на лінії перетину й утворення зародків тріщини (рис. 6.4 б). Теоретична модель такого процесу вперше запропонована Котреллом для ОЦК-металів. Експериментально такий процес спостерігався в монокристалах крем'янистого заліза та окислу магнію.
Зародження тріщин при перетині двійників спостерігалося в кристалах молібдену, цинку і крем'янистого заліза.
Моделі утворення тріщин за відсутності скупчення дислокацій біля перешкод умовно відносять до безбар’єрних. Відомо декілька таких моделей. Зародження плоскої тріщини може відбутися у результаті об’єднання ланцюжків вакансій, що утворюються під час руху дислокацій зі сходинкою (вакансійний механізм).
У кристалах зі складною структурою зародження тріщин пов'язують з утворенням уступів на стінках дислокацій. У цьому разі ковзання і сколювання відбуваються в одній і тій самій площині (рис. 6.4 в). Смуга ковзання перетинає межу нахилу, зміщуючи таким чином її краї. При цьому виникає переривчате зміщення внаслідок зміни напряму ковзання й утворюється тріщина на площині ковзання.
Наведений аналіз моделей зародження крихких тріщин показує, що відомо декілька механізмів виникнення несуцільності. Прояв того або іншого механізму зародження крихких тріщин залежить перш за все від природи металу, критичної густини дислокацій і від умов навантаження.
Загальним для всіх розглянутих моделей є те, що процес зародження тріщин є наслідком концентрації пружної енергії при утворенні скупчення дислокацій і подальшому їх зближенні. Тріщина виникає, досягнувши максимальної концентрації пружної енергії в локальному об'ємі металу, чому відповідає досягнення критичної густини дислокацій.
.
,
,
.