Охрупчивание - это значительное снижение пластичности материала, что делает его хрупким . Охрупчивание используется для описания любых явлений, при которых окружающая среда ставит под угрозу механические характеристики подвергнутого нагрузке материала, такие как температура или состав окружающей среды. Это часто нежелательно, поскольку хрупкое разрушение происходит быстрее и может распространяться гораздо легче, чем вязкое разрушение, что приводит к полному выходу оборудования из строя. Различные материалы имеют разные механизмы охрупчивания, поэтому оно может проявляться по-разному, от медленного роста трещин до снижения пластичности и вязкости при растяжении.
Механизмы
Охрупчивание - это комплексный 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. Есть несколько способов изучить механизмы. Во время охрупчивания металла (ME) можно измерить скорость роста трещин. Компьютерное моделирование также можно использовать для выяснения механизмов, лежащих в основе охрупчивания. Это полезно для понимания водородного охрупчивания (HE), поскольку диффузию водорода через материалы можно смоделировать. Охладитель не играет роли в окончательном разрушении; он в основном отвечает за распространение трещин. Сначала должны зародиться трещины. Большинство механизмов охрупчивания могут вызывать трансгранулярные или межкристаллитные переломы. Для охрупчивания металлов восприимчивы только определенные комбинации металлов, напряжений и температур. Это контрастирует с коррозионным растрескиванием под напряжением, при котором практически любой металл может быть восприимчивым в правильных условиях окружающей среды. Однако этот механизм намного медленнее, чем механизм охрупчивания жидким металлом (LME), что позволяет предположить, что он направляет поток атомов как к трещине, так и от нее. Основным механизмом нейтронного охрупчивания являются столкновения внутри материала с побочными продуктами деления.
Охрупчивание металлов
Водородной хрупкости
Одним из наиболее обсуждаемых и вредных видов охрупчивания является водородное охрупчивание металлов. Есть несколько способов, которыми атомы водорода могут диффундировать в металлы, в том числе из окружающей среды или во время обработки (например, гальваника). Точный механизм, вызывающий водородное охрупчивание, до сих пор не определен, но многие теории предложены и все еще проходят проверку. [1] Атомы водорода, вероятно, диффундируют к границам зерен металлов, что становится препятствием для движения дислокаций и создает напряжение вблизи атомов. Когда металл подвергается напряжению, напряжение концентрируется вблизи границ зерен из-за атомов водорода, позволяя трещине зародиться и распространяться по границам зерен, чтобы снять накопленное напряжение.
Есть много способов предотвратить или уменьшить влияние водородной хрупкости металлов. Один из наиболее традиционных способов - нанести покрытия вокруг металла, которые будут действовать как диффузионные барьеры, предотвращающие попадание водорода из окружающей среды в материал. [2] Другой способ - добавить ловушки или поглотители в сплав, который проникает в атом водорода и образует другое соединение.
Радиационное охрупчивание
Радиационное охрупчивание, также известное как нейтронное охрупчивание, - это явление, более часто наблюдаемое в реакторах и ядерных установках, поскольку эти материалы постоянно подвергаются постоянному воздействию радиации. Когда нейтрон облучает металл, в материале образуются пустоты, что называется набуханием пустот. [3] Если материал находится в состоянии ползучести (в условиях низкой скорости деформации и высоких температур), пустоты сливаются в пустоты, что снижает механическую прочность заготовки.
Низкотемпературное охрупчивание
При низких температурах некоторые металлы могут претерпевать пластично-хрупкий переход, что делает материал хрупким и может привести к катастрофическому разрушению во время эксплуатации. Эта температура обычно называется температурой вязко-хрупкого перехода или температурой охрупчивания. Исследования показали, что низкотемпературное охрупчивание и хрупкое разрушение происходит только при следующих конкретных критериях: [4]
- Напряжения достаточно, чтобы образовалась трещина.
- Напряжение в трещине превышает критическое значение, которое приведет к раскрытию трещины. (также известный как критерий Гриффита раскрытия трещин)
- Высокая устойчивость к перемещению вывиха.
- Должно быть небольшое вязкое сопротивление дислокации, чтобы трещина открылась.
Все металлы могут соответствовать критериям 1, 2, 4. Однако только ОЦК и некоторые металлы ГПУ удовлетворяют третьему условию, поскольку они имеют высокий барьер Пайерла и сильную энергию упругого взаимодействия дислокации и дефектов. Все металлы FCC и большинство HCP имеют низкий барьер Пайерла и слабую энергию упругого взаимодействия. Пластмассы и каучуки также демонстрируют такой же переход при низких температурах.
Исторически сложилось так, что существует множество случаев, когда люди эксплуатируют оборудование при низких температурах, что приводит к неожиданным, но также и катастрофическим сбоям. В Кливленде в 1944 году произошел разрыв стального цилиндрического резервуара со сжиженным природным газом, поскольку он имеет более низкую пластичность при рабочей температуре. [5] Еще одним известным примером был неожиданный перелом 160 ледовых кораблей времен Второй мировой войны в зимние месяцы. [6] Трещина образовалась в середине кораблей и распространилась по ней, буквально разбив корабли пополам.
Материал | Температура [° F] | Температура [° C] |
---|---|---|
Пластмассы | ||
АБС | −270 | −168 |
Ацеталь | −300 | -184,4 |
Делрин | От -275 до -300 | От -171 до -184 |
Нейлон | От -275 до -300 | От -171 до -184 |
Политрон | −300 | -184,4 |
Полипропилен | От -300 до -310 | От -184 до -190 |
Политетрафторэтилен | −275 | −171 |
Каучуки | ||
Буна-Н | −225 | −143 |
EPDM | От -275 до -300 | От -171 до -184 |
Этиленпропилен | От -275 до -300 | От -171 до -184 |
Hycar | -210 до -275 | От -134 до -171 |
Натуральная резина | -225 до -275 | От -143 до -171 |
Неопрен | От -225 до -300 | От -143 до -184 |
Нитрил | От -275 до -310 | От -171 до -190 |
Нитрил-бутадиен (АБС) | -250 до -270 | От -157 до -168 |
Силикон | −300 | -184,4 |
Уретан | От -275 до -300 | От -171 до -184 |
Витон | От -275 до -300 | От -171 до -184 |
Металлы | ||
Цинк | −200 | −129 |
Стали | −100 | −73 |
Другие виды охрупчивания
- Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) - это охрупчивание, вызванное воздействием водных коррозионных материалов. Он зависит как от агрессивной среды, так и от наличия растягивающего (не сжимающего) напряжения.
- Сульфидное растрескивание под напряжением - это охрупчивание, вызванное абсорбцией сероводорода .
- Адсорбционное охрупчивание - это охрупчивание, вызванное смачиванием.
- Охрупчивание жидкими металлами (LME) - это охрупчивание, вызванное жидкими металлами.
- Охрупчивание, вызванное металлом (MIE) - это охрупчивание, вызванное диффузией атомов металла, твердого или жидкого, в материал. Например, кадмиевое покрытие высокопрочной стали, которое изначально делалось для предотвращения коррозии.
- Основным механизмом охрупчивания пластмасс является постепенная потеря пластификаторов , обычно в результате перегрева или старения.
- Основным механизмом охрупчивания асфальта является окисление, которое наиболее сильно проявляется в более теплом климате. Охрупчивание асфальтового покрытия может привести к появлению различных форм растрескивания, включая продольные, поперечные и блочные (шестиугольные). Окисление асфальта связано с деградацией полимера , поскольку эти материалы имеют сходный химический состав.
Охрупчивание неорганических стекол и керамики
Механизмы охрупчивания аналогичны металлам. Хрупкость неорганического стекла может проявляться в виде статической усталости. Хрупкость стекол, таких как Pyrex, зависит от влажности. Скорость роста трещин линейно зависит от влажности, что свидетельствует о кинетической зависимости первого порядка. Важно отметить, что статическая усталость пирекса по этому механизму требует, чтобы растворение концентрировалось на вершине трещины. Если растворение равномерное по плоской поверхности трещины, вершина трещины будет притуплена. Такое притупление может фактически увеличить прочность материала на излом в 100 раз. [8]
Поучительным примером может служить охрупчивание композитов SiC / оксид алюминия. Механизм этой системы заключается, прежде всего, в диффузии кислорода в материал через трещины в матрице. Кислород достигает волокон SiC и образует силикат. Напряжение концентрируется вокруг вновь образованного силиката, и прочность волокон ухудшается. В конечном итоге это приводит к разрушению при напряжениях, меньших, чем типичное предел прочности материала при растяжении. [9]
Охрупчивание полимеров
Полимеры бывают самых разных составов, и это разнообразие химического состава приводит к широкому диапазону механизмов охрупчивания. Наиболее распространенные источники охрупчивания полимеров включают кислород в воздухе, воду в жидкой или парообразной форме, ультрафиолетовое излучение солнца, кислоты и органические растворители. [10]
Один из способов, которыми эти источники изменяют механические свойства полимеров, - это разрыв цепи и сшивание цепи . Разрыв цепи происходит, когда атомные связи в основной цепи разрываются, поэтому окружающая среда с такими элементами, как солнечное излучение, приводит к этой форме охрупчивания. Разрыв цепи уменьшает длину полимерных цепей в материале, что приводит к снижению прочности. Сшивание цепей дает противоположный эффект. Увеличение количества поперечных связей (например, из-за окислительной среды) приводит к получению более прочного и менее пластичного материала. [11]
Термическое окисление полиэтилена представляет собой качественный пример охрупчивания цепи при разрыве. Случайный разрыв цепи вызвал изменение от пластичного к хрупкому поведению, как только средняя молярная масса цепей упала ниже критического значения. Для полиэтиленовой системы охрупчивание происходило, когда средневзвешенная молярная масса упала ниже 90 кг / моль. Было высказано предположение, что причиной этого изменения было уменьшение запутывания и увеличение кристалличности. Пластичность полимеров обычно является результатом их аморфной структуры, поэтому увеличение кристалличности делает полимер более хрупким. [12]
Охрупчивание силиконового каучука происходит из-за увеличения количества поперечных связей цепи. Когда силиконовый каучук подвергается воздействию воздуха при температурах выше 250 ° C (482 ° F), происходят окислительные реакции поперечного сшивания на боковых метильных группах вдоль основной цепи. Эти поперечные связи делают резину значительно менее пластичной. [13]
Растрескивание под напряжением растворителем является важным механизмом охрупчивания полимера. Это происходит, когда жидкости или газы абсорбируются полимером, что в конечном итоге приводит к набуханию системы. Набухание полимера приводит к меньшему сдвиговому потоку и увеличению склонности к образованию трещин . Растрескивание под напряжением из-за органических растворителей обычно приводит к статической усталости из-за низкой подвижности жидкостей. Растрескивание под напряжением растворителя из-за газов с большей вероятностью приведет к большей склонности к образованию трещин. [14]
Поликарбонат является хорошим примером растрескивания под действием растворителя. Было показано, что множество растворителей делают поликарбонат хрупким (например, бензол, толуол, ацетон) по аналогичному механизму. Растворитель диффундирует в массу, набухает полимер, вызывает кристаллизацию и в конечном итоге создает границы раздела между упорядоченными и неупорядоченными областями. Эти границы раздела создают пустоты и поля напряжений, которые могут распространяться по всему материалу при напряжениях, намного меньших, чем типичная прочность полимера на растяжение. [15]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ RA Oriani, "Водородное охрупчивание сталей", Ann. Rev. Mater. Sci., Том 8, стр. 327-357, 1978
- ^ Х. Бхадешиа, "Предотвращение водородной хрупкости сталей", ISIJ International, vol. 56, нет. 1, стр. 24–36, 2016. Доступно: 10.2355 / isijinternational.isijint-2015-430
- Перейти ↑ Chopra, OK & Rao, AS. (2011). Обзор воздействия облучения на внутренние материалы активной зоны LWR - Нейтронное охрупчивание. Журнал ядерных материалов. 412. 195-208. 10.1016 / j.jnucmat.2011.02.059
- ↑ Чернов, Вячеслав и Кардашев, Б.К. и Мороз, К.А. (2016). Низкотемпературное охрупчивание и разрушение металлов с различной кристаллической решеткой - Дислокационные механизмы. Ядерные материалы и энергия. 9. 10.1016 / j.nme.2016.02.002
- ^ Edeskuty FJ, Стюарт WF (1996) охрупчивание материалов. В: Безопасность при работе с криогенными жидкостями. Серия международных монографий по криогенике. Спрингер, Бостон, Массачусетс
- ^ Benac, DJ, Cherolis, N. & Wood, D. Управление низкими температурами и опасностями хрупкого разрушения сосудов под давлением. J Fail. Анальный. и Preven. 16. С. 55–66 (2016). https://doi.org/10.1007/s11668-015-0052-3
- ^ Гиллеспи, Laroux К. (1999), Разиглевание и отделки кромок справочника , малого и среднего бизнеса, стр. 196-198, ISBN 978-0-87263-501-2.
- ^ Кортни, Томас Х. Механическое поведение материалов. McGraw Hill Education (Индия), 2013 г.
- ^ Эредиа, Фернандо Э. и др. «Зонд окислительного охрупчивания для композитов с керамической матрицей». Журнал Американского керамического общества, т. 78, нет. 8, 1995, стр. 2097–2100., DOI: 10.1111 / j.1151-2916.1995.tb08621.x
- ^ Кортни, Томас Х. Механическое поведение материалов. McGraw Hill Education (Индия), 2013 г.
- ^ Кортни, Томас Х. Механическое поведение материалов. McGraw Hill Education (Индия), 2013 г.
- ^ Fayolle, B., et al. «Механизм вызванного деградацией охрупчивания в полиэтилене». Разложение и стабильность полимеров, т. 92, нет. 2, 2007, стр. 231–238., DOI: 10.1016 / j.polymdegradstab.2006.11.012
- ^ Томас, Д.К. «Процессы расщепления сети в метилвинилсиликоновом каучуке, отвержденном перекисью». Химия и технология резины, т. 40, нет. 2, 1967, стр. 629–634., DOI: 10.5254 / 1.3539077
- ^ Кортни, Томас Х. Механическое поведение материалов. McGraw Hill Education (Индия), 2013 г.
- ^ Миллер, GW, и др. «О растрескивании поликарбоната растворителем под напряжением». Полимерная инженерия и наука, т. 11, вып. 2, 1971, стр. 73–82., DOI: 10.1002 / pen.760110202