охрупчивание

Охрупченный прижимной ролик

Охрупчивание – это значительное снижение пластичности материала, что делает его хрупким . Охрупчивание используется для описания любых явлений, при которых окружающая среда ухудшает механические характеристики нагруженного материала, например, температура или состав окружающей среды. Зачастую это нежелательно, поскольку хрупкое разрушение происходит быстрее и распространяется гораздо легче, чем пластическое 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 сложный механизм, который до конца не изучен. Механизмы могут управляться температурой, напряжениями, границами зерен или составом материала. Однако, изучая процесс охрупчивания, можно принять профилактические меры для смягчения последствий. Существует несколько способов изучения механизмов. Во время охрупчивания металла (ME) можно измерить скорость роста трещин. Компьютерное моделирование также можно использовать для выяснения механизмов охрупчивания. Это полезно для понимания водородного охрупчивания (HE), поскольку можно смоделировать диффузию водорода через материалы. Охрупчиватель не играет роли в окончательном разрушении; он в основном ответственен за распространение трещин. Трещины должны сначала зародиться. Большинство механизмов охрупчивания могут вызывать трансгранулярный или межкристаллитный перелом. Охрупчиванию металла подвержены только определенные комбинации металлов, напряжений и температур. Это контрастирует с коррозионным растрескиванием под напряжением, которому при определенных условиях окружающей среды может быть подвержен практически любой металл. Однако этот механизм гораздо медленнее, чем механизм охрупчивания жидкого металла (LME), что позволяет предположить, что он направляет поток атомов как к трещине, так и от нее. Основным механизмом нейтронного охрупчивания являются столкновения внутри материала побочных продуктов деления.

Охрупчивание металлов

Водородное охрупчивание

Основная статья: Водородное охрупчивание

Одним из наиболее обсуждаемых и вредных видов охрупчивания металлов является водородное охрупчивание. Существует несколько способов диффундирования атомов водорода в металлы, в том числе из окружающей среды или во время обработки (например, гальваническое покрытие). Точный механизм, вызывающий водородное охрупчивание, до сих пор не определен, но предложено множество теорий, которые все еще проходят проверку. Атомы водорода, вероятно, диффундируют к границам зерен металлов, что становится барьером для движения дислокаций и создает напряжение вблизи атомов. Когда металл подвергается напряжению, 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 водородного охрупчивания металлов. Один из наиболее традиционных способов — нанесение покрытий вокруг металла, которые будут действовать как диффузионные барьеры, предотвращающие попадание водорода из окружающей среды в материал. Другой способ — добавить в сплав ловушки или поглотители, которые поглощают атом водорода и образуют другое соединение.

охрупчивание при 475 °C

Дополнительная информация: охрупчивание при 475 ° C.

Карта дифракции обратного рассеяния электронов от 128-часового старения DSS с ферритной фазой, образующей матрицу, и спорадически разбросанными аустенитными зернами

Дуплексная нержавеющая сталь широко используется в промышленности, поскольку она обладает превосходной стойкостью к окислению, но может иметь ограниченную ударную вязкость из-за большого размера ферритного зерна и склонности к охрупчиванию при температурах в диапазоне 280–500 °C, особенно при 475 °C, где происходит спинодальное разложение. пересыщенного твердого раствора феррита в богатую железом нанофазу ( ${\acute {a}}$) и богатая Cr нанофаза ( ${\acute {a}}{\acute {}}$), сопровождающееся выделением G-фазы, что делает ферритную фазу предпочтительным местом зарождения микротрещин.

Радиационное охрупчивание

Радиационное охрупчивание, также известное как нейтронное охрупчивание , представляет собой явление, которое чаще всего наблюдается в реакторах и атомных станциях, поскольку эти материалы постоянно подвергаются постоянному воздействию радиации. Когда нейтрон облучает металл, в материале создаются пустоты, которые известны как набухание пустот. Если материал находится в состоянии ползучести (при низкой скорости деформации и высоких температурах), пустоты сливаются в вакансии, что снижает механическую прочность заготовки.

Низкотемпературное охрупчивание

При низких температурах некоторые металлы могут подвергаться пластично-хрупкому переходу, что делает материал хрупким и может привести к катастрофическому разрушению во время эксплуатации. Эту температуру обычно называют температурой пластично-хрупкого перехода или температурой охрупчивания. Исследования показали, что низкотемпературное охрупчивание и хрупкое разрушение происходит только при соблюдении следующих конкретных критериев:

1. Напряжения достаточно, чтобы зародилась трещина.
2. Напряжение в трещине превышает критическое значение, при котором трещина открывается (также известное как критерий Гриффита для раскрытия трещины).
3. Высокая устойчивость к движению дислокаций.
4. Должно присутствовать небольшое вязкое сопротивление дислокации, обеспечивающее раскрытие трещины.

Все металлы могут соответствовать критериям 1, 2, 4. Однако только ОЦК и некоторые металлы ГПУ отвечают третьему условию, поскольку они имеют высокий барьер Пайерла и большую энергию упругого взаимодействия дислокаций и дефектов. Все FCC и большинство HCP металлов имеют низкий барьер Пайерла и слабую энергию упругого взаимодействия. Пластмассы и резины также демонстрируют такой же переход при низких температурах.

Исторически известно множество случаев, когда люди эксплуатировали оборудование при низких температурах, что приводило к неожиданным, но также катастрофическим отказам. В Кливленде в 1944 году цилиндрический стальной резервуар со сжиженным природным газом разорвался из-за его низкой пластичности при рабочей температуре. Еще одним известным примером стал неожиданный перелом 160 времен Второй мировой войны кораблей в зимние месяцы. Трещина образовалась в середине кораблей и распространилась насквозь, буквально разрывая корабли пополам.

Температура охрупчивания

Материал	Температура [°Ф]	Температура [°С]
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
Привет-Н	−225	−143
ЭПДМ	от -275 до -300	от -171 до -184
Этилен-пропилен	от -275 до -300	от -171 до -184
Хикар	от -210 до -275	от -134 до -171
Натуральный каучук	от -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)	от -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
Сталь	−100	−73

Другие виды охрупчивания

• Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) — это охрупчивание, вызванное воздействием водных агрессивных материалов. Оно зависит как от агрессивной среды, так и от наличия растягивающих (не сжимающих) напряжений.
• Сульфидное растрескивание под напряжением – это охрупчивание, вызванное поглощением сероводорода .
• Адсорбционное охрупчивание – это охрупчивание, вызванное смачиванием.
• Жидкометаллическое охрупчивание (ЖМЭ) – это охрупчивание, вызванное жидкими металлами.
• Металл-индуцированное охрупчивание (MIE) — это охрупчивание, вызванное диффузией атомов металла, твердого или жидкого, в материал. Например, кадмиевое покрытие высокопрочной стали, которое изначально делалось для предотвращения коррозии.
• Сегрегация по границам зерен может привести к хрупкому межзеренному разрушению . Во время затвердевания границы зерен в результате сегрегации становятся хранилищем примесей в сплаве. Эта сегрегация по границам зерен может создать сеть путей низкой прочности через материал.
• 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 теплом климате. Охрупчивание асфальтового покрытия (также известное как крокодиловое растрескивание ) может привести к образованию различных форм трещин, в том числе продольных, поперечных и блочных (шестиугольных). Окисление асфальта связано с деградацией полимеров , поскольку эти материалы имеют сходный химический состав.

Охрупчивание неорганических стекол и керамики.

Механизмы охрупчивания аналогичны механизмам охрупчивания металлов. Охрупчивание неорганического стекла может проявляться в результате статической усталости . Охрупчивание стекол, таких как Pyrex , зависит от влажности . Скорость роста трещин линейно зависит от влажности, что предполагает кинетическую зависимость первого порядка . Статическая усталость пирекса по этому механизму требует, чтобы растворение концентрировалось на кончике трещины. Если растворение равномерно по плоским поверхностям трещины, вершина трещины будет притуплена. Такое затупление может фактически увеличить прочность материала на излом в 100 раз.

охрупчивание композитов SiC / оксид алюминия Поучительным примером может служить . Механизм этой системы заключается, прежде всего, в в материал диффузии кислорода через трещины в матрице. Кислород достигает волокон SiC и производит силикат . Напряжение концентрируется вокруг вновь образовавшегося силиката, и прочность волокон снижается. В конечном итоге это приводит к разрушению при напряжениях, меньших, чем типичное напряжение разрушения материала.

Охрупчивание полимеров

Полимеры бывают самых разных составов, и это разнообразие химического состава приводит к широкому спектру механизмов охрупчивания. Наиболее распространенными источниками охрупчивания полимеров являются кислород воздуха, вода в жидкой или парообразной форме, ультрафиолетовое излучение солнца, кислоты и органические растворители .

Одним из способов изменения механических свойств полимеров этими источниками является разрыв цепи и сшивание цепи . Разрыв цепи происходит, когда атомные связи разрываются в основной цепи, поэтому окружающая среда с такими элементами, как солнечная радиация, приводит к этой форме охрупчивания. Разрыв цепи уменьшает длину полимерных цепей в материале, что приводит к снижению прочности. цепи Сшивание имеет противоположный эффект. Увеличение количества поперечных связей ( из-за окислительной среды) приводит к получению более прочного и менее пластичного материала. например,

Термическое окисление полиэтилена является ярким примером охрупчивания при разрыве цепи . Случайный разрыв цепи вызвал переход от пластичного к хрупкому поведению, как только средняя молярная масса цепей упала ниже критического значения. В случае полиэтиленовой системы охрупчивание происходило, когда средневесовая молярная масса падала ниже 90 кг/моль. Предполагается, что причиной этого изменения является уменьшение перепутывания и увеличение кристалличности . Пластичность полимеров обычно является результатом их аморфной структуры, поэтому увеличение кристалличности делает полимер более хрупким. В случае полиэтилентерефталата гидролиз приводит к охрупчиванию при разрыве цепи. Показано, что ухудшение механических свойств коррелирует с уменьшением подвижной аморфной фракции (МАФ), а переход от вязкого к хрупкому состоянию происходит при достижении минимального значения МАФ. Это поддерживает микромеханическую интерпретацию механизма охрупчивания, а не молекулярную интерпретацию.

Охрупчивание силиконовой резины происходит из-за увеличения количества сшивок цепи. Когда силиконовый каучук подвергается воздействию воздуха при температуре выше 250 ° C (482 ° F), происходят реакции окислительной сшивки по метильным боковым группам вдоль основной цепи. Эти поперечные связи делают резину значительно менее пластичной.

Растрескивание под напряжением растворителя является важным механизмом охрупчивания полимера. Это происходит, когда жидкости или газы впитываются в полимер, что в конечном итоге приводит к набуханию системы. Набухание полимера приводит к уменьшению сдвигового течения и увеличению склонности к растрескиванию . Растрескивание под напряжением органических растворителей обычно приводит к статической усталости из-за низкой подвижности жидкостей. Растрескивание под напряжением в растворителе из-за газов с большей вероятностью приведет к большей восприимчивости к образованию трещин.

Поликарбонат является хорошим примером растрескивания под действием растворителя. Было показано, что многочисленные растворители делают поликарбонат хрупким (например, бензол , толуол , ацетон ) по аналогичному механизму. Растворитель диффундирует в объем, 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 разрыв.