Механические свойства

Механические свойства характеризуют поведение материалов под действием нагрузки. В рамках данной статьи рассмотрим 5 основных механических свойств материалов: прочность, упругость, пластичность, хрупкость и твердость.

Что такое Прочность?

Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.

Испытания на прочность

Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.

Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.

Упругость

Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.

От чего зависит упругость?

Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.

Пластичность

Пластичностью называется механическое свойство материалов под влиянием внешней нагрузки изменять форму и размер, а после того как нагрузка перестает действовать — сохранять ее в измененном виде.

Пластичность является важным свойством, учитывающееся когда происходит выбор материала несущей конструкции, либо же определения технологии (методики) изготовления разнообразных изделий. Для конструкций важно сочетание высокой пластичности материала и большого показателя упругости. Эта комбинация свойств предотвращает внезапное разрушение материала. В целом пластичность в физике материалов противопоставляется как упругости, так и хрупкости — пластичный материал сохраняет форму, которую придают ему внешние воздействия.

Пластичность — важное механическое свойство

Изучение пластичности важно при прогнозировании долговечности и прочности какой-либо конструкции, так как пластичность зачастую предшествует разрушению и важно рассмотреть деформационные процессы, возникающие в материале. Измерение пластичности, являющейся важным свойством металлов, очень важно при обработке под давлением — ковке и прокатке. Это свойство металлов непосредственно зависит от тех условий, в которых происходит деформирование — температуры, давления и т.д. Пластичность металлов влияет на такие характеристики как удлинение (абсолютное и относительное) и сужение материала. При удлинении происходит увеличение длины образца под воздействием происходящего растяжения, а при сужении, соответственно, от растяжения образца происходит уменьшение площади поперечного сечения.

Хрупкость

Хрупкость относится к механическим свойствам материалов противоположным пластичности. Те процессы, которые повышают пластичность, соответственно, снижают хрупкость, и наоборот. Материалы, отличающиеся хрупкостью при статическом испытании разрушаются без пластической деформации.

Это характерно, например, для стекла. Если при статическом испытании материал характеризуется пластичностью, но при динамическом испытании разрушается, то речь идет о так называемой ударной хрупкости. Причиной ударной хрупкости могут быть пределы текучести (то есть зависимость скорости деформации и сопротивления) и пределы прочности (изменение сопротивления разрушению). Хрупкое разрушение материала происходит если сопротивление деформации равно или больше сопротивления отрыву. Соответственно, пластичность материала уменьшается, если рост сопротивления деформации происходит быстрее роста сопротивления разрушению.

Фактором, от которого непосредственно зависит хрупкое состояние материала является однородность напряженного состояния. Материал переходит от пластичности к хрупкости при неоднородном напряженном состоянии. Расчет сопротивления хрупкому разрушению является важным обоснованием прочности конструкции.

Твёрдость

Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.

Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.

При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.

Хрупкие состояния — Игорь Яковенко | Igor Yakovenko

Buy Now / Купить

CD Audio 500 RUB
FLAC 99 RUB

MP3 320 69 RUB

iTunes
Spotify
Bandcamp

Booklet

• RUS
• ENG

Хрупкие состояния – это 10 этюдов, затрагивающих проблему нестабильности человеческого сознания на разных уровнях взаимодействия с действительностью.

С физической точки зрения хрупкое – совсем не слабое и субтильное, а наоборот – напряженное, доведенное до предела своих возможностей. Личное действует в хрупкости и посредством хрупкости, являясь тем самым одним из возможных бытийных способов человеческого существования.

Выбор инструментов достаточно специфичен: два солирующих инструмента на фоне облигатного фортепиано. Скрипку следует рассматривать как прибавочный элемент, который выводит систему из равновесия. Это неизбежно создаёт конфронтацию инструмента и голоса, и призвано усилить напряжение, что, в свою очередь, может привести к хрупкому разрушению.

Хрупкое разрушение – практически мгновенное разрушение материала без видимых пластических деформаций.

Хрупкость – это свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.

Повышение запаса энергии конструкции способствуют переходу материала в хрупкое состояние.

Игорь Яковенко

Subtle or fragile states are 10 sketches concerning the problem of instability of human consciousness at different levels of interaction with reality.

From a physical point of view, fragile – not at all weak and slender, but on the contrary – tense, brought to the limit of its capabilities. Personal acts in fragility and through fragility, thus being one of the possible existential modes of human life.

The choice of instruments is quite specific: two solo instruments on the background of an obligate piano. The violin should be considered as a surplus element, which takes the system out of balance. This inevitably creates a confrontation between the instrument and the voice, and is designed to increase tension, which in turn can lead to fragile destruction.

Fragile destruction is almost instantaneous destruction of the material without visible plastic deformation.

Fragility is the property of the material to break down without the formation of appreciable residual deformations.

Increase of the structure energy reserve contributes to the transition of the material into a fragile state.

Igor Yakovenko, translated by Oleg Krokhalev

Related Releases

Хрупкость — Определение хрупкости

В материаловедении под хрупкостью понимается отсутствие пластичности . Понимание разницы между хрупким материалом и пластичным материалом очень важно для инженеров. Некоторые изломы (например, хрупкие изломы) возникают при определенных условиях без предупреждения и могут привести к серьезному повреждению материалов. Хрупкое разрушение происходит внезапно и катастрофически без предупреждения , что приводит к самопроизвольному и быстрому распространению трещин. Изучение механики разрушения может помочь понять, как происходит разрушение материалов.

При испытании на растяжение точкой разрушения является точка деформации, в которой материал физически разделяется. В этот момент деформация достигает своего максимального значения, и материал разрушается, хотя соответствующее напряжение может быть меньше предела прочности в этот момент. Пластичные материалы имеют предел прочности на излом ниже, чем предел прочности при растяжении (UTS), тогда как в хрупких материалах предел прочности при изломе эквивалентен пределу прочности при растяжении (UTS). Если пластичный материал достигает своего предела прочности на растяжение в ситуации с регулируемой нагрузкой, он будет продолжать деформироваться без приложения дополнительной нагрузки, пока не разорвется. Однако, если нагрузка контролируется по смещению, деформация материала может уменьшить нагрузку, предотвращая разрыв. Среди кривых растяжения различных групп материалов можно выделить некоторые общие характеристики.

Разрушение материала

Разрушение — это разделение объекта или материала на две или более частей под действием напряжения. Инженеры должны понимать механизмы разрушения. Некоторые переломы (например, хрупкие изломы ) происходят при определенных условиях без предупреждения и могут вызвать серьезные повреждения материалов. Хрупкий перелом происходит внезапно и катастрофически без какого-либо предупреждения, что приводит к спонтанному и быстрому распространение трещины . Однако для вязкого разрушения наличие пластической деформации предупреждает о неизбежности разрушения, что позволяет принять превентивные меры. Изучение механики разрушения может помочь понять, как происходит разрушение материалов.

При испытании на растяжение точкой разрушения является точка деформации, в которой материал физически разделяется. В этот момент деформация достигает своего максимального значения, и материал разрушается, хотя соответствующее напряжение может быть меньше предела прочности в этот момент. Пластичные материалы имеют предел прочности при изломе ниже, чем предел прочности при растяжении (UTS), тогда как в хрупких материалах предел прочности при изломе эквивалентен UTS. Если пластичный материал достигает своего предела прочности на растяжение в ситуации с регулируемой нагрузкой, он будет продолжать деформироваться без приложения дополнительной нагрузки, пока не разорвется. Однако, если нагрузка контролируется по смещению, деформация материала может уменьшить нагрузку, предотвращая разрыв. Среди кривых растяжения различных групп материалов можно выделить некоторые общие характеристики. На этом основании можно разделить материалы на две широкие категории; а именно:

• Пластичные материалы . Пластичность – это способность материала растягиваться при растяжении. Пластичный материал будет деформироваться (удлиняться) больше, чем хрупкий материал. Пластичные материалы демонстрируют большую деформацию перед разрушением. При вязком изломе перед разрушением происходит обширная пластическая деформация (образование шейки). Вязкое разрушение (разрушение при сдвиге) лучше, чем хрупкое разрушение, потому что перед разрушением происходит медленное распространение и поглощение большого количества энергии. Любой процесс разрушения включает две стадии: образование трещины и распространение трещины в ответ на приложенное напряжение. Характер разрушения сильно зависит от механизма распространения трещины. Говорят, что трещины в пластичных материалах стабильны (т. е. сопротивляются растяжению без увеличения приложенного напряжения). Для хрупких материалов трещины неустойчивы. Это означает, что распространение трещины, однажды начавшись, продолжается спонтанно без увеличения уровня напряжения. Пластичность желательна при высоких температурах и высоких давлениях в реакторных установках из-за дополнительных нагрузок на металлы. Высокая пластичность в этих применениях помогает предотвратить хрупкое разрушение.
• Хрупкие материалы . Под действием напряжения хрупкие материалы разрушаются с небольшой упругой деформацией и без значительной пластической деформации. Хрупкие материалы поглощают относительно мало энергии перед разрушением, даже высокопрочные материалы. В хрупком изломе ( транскристаллитный скол ) перед разрушением не происходит видимой пластической деформации. В кристаллографии спайность — это склонность кристаллических материалов раскалываться по определенным кристаллографическим структурным плоскостям. Любой процесс разрушения включает два этапа, образование трещин и распространение в ответ на приложенное напряжение. Характер разрушения сильно зависит от механизма распространения трещины. Для хрупкие материалы , трещины неустойчивые . Это означает, что распространение трещины, однажды начавшись, продолжается спонтанно без увеличения уровня напряжения. Трещины распространяются быстро (со скоростью звука) и возникают с большими скоростями – до 2133,6 м/с в стали. Следует отметить, что меньший размер зерен, более высокие температуры и более низкие напряжения, как правило, уменьшают возникновение трещин. Распространению трещин способствуют большие размеры зерен, более низкие температуры и более высокие напряжения. Уровень напряжения, ниже которого трещина не будет распространяться ни при какой температуре. Это называется нижним напряжением распространения трещины. При хрупком разрушении поверхность разрушения относительно плоская и перпендикулярна направлению приложенной растягивающей нагрузки. В общем, для хрупкого разрушения необходимы три условия:
  • Дефект, такой как трещина
  • Напряжение достаточное для развития небольшой деформации в вершине трещины
  • Температура на уровне или ниже DBTT

Температура вязко-хрупкого перехода

Хрупкое разрушение американского корабля E Liberty Ship E ССО Манхэттен

Как уже было сказано, различие между хрупкостью и пластичностью неочевидно, особенно потому, что как пластичность, так и хрупкость зависят не только от рассматриваемого материала, но и от его свойств.0003 от температуры (вязко-хрупкий переход) материала. Влияние температуры на характер разрушения имеет большое значение, и многие стали демонстрируют вязкое разрушение при повышенных температурах и хрупкое разрушение при низких температурах . Температура, выше которой материал становится пластичным, а ниже – хрупким, известна как температура вязко-хрупкого перехода (DBTT), нулевая температура пластичности (NDT) или нулевая температура перехода пластичности. Эта температура не является точной, но варьируется в зависимости от предшествующей механической и термической обработки, а также от природы и количества примесных элементов. Его можно определить с помощью некоторых тестов с падающим грузом (например, Испытания по Шарпи или Изоду ).

Температура вязко-хрупкого перехода (DBTT) — это температура, при которой энергия разрушения становится ниже заданного значения (например, 40 Дж для стандартного испытания на удар по Шарпи). Пластичность является важным требованием для сталей, используемых при изготовлении компонентов реактора, таких как корпус реактора. Таким образом, DBTT имеет важное значение в эксплуатации этих судов. В этом случае размер зерна определяет свойства металла. Например, меньший размер зерна увеличивает предел прочности при растяжении, имеет тенденцию к увеличению пластичности и снижает DBTT. Размер зерна контролируется термической обработкой при спецификации и изготовлении корпусов реакторов. DBTT также можно снизить за счет небольших добавок выбранных легирующих элементов, таких как никель и марганец, в низкоуглеродистые стали.

Как правило, низколегированные стали для корпусов реакторов высокого давления представляют собой ферритные стали, которые демонстрируют классический переход вязкости в хрупкость при понижении температуры. Эта переходная температура имеет наибольшее значение при разогреве установки.

Виды разрушения:

• Область низкой вязкости: Основным видом разрушения является хрупкое разрушение (транскристаллитный раскол). При хрупком разрушении перед разрушением не происходит видимой пластической деформации. Трещины быстро распространяются.
• Область высокой ударной вязкости: основной вид разрушения — вязкое разрушение (разрушение при сдвиге). При вязком разрушении перед разрушением происходит обширная пластическая деформация (образование шейки). Вязкое разрушение лучше, чем хрупкое, потому что перед разрушением происходит медленное распространение и поглощение большого количества энергии.

В некоторых материалах переход более резкий и обычно требует температурно-чувствительного механизма деформации. Например, в материалах с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой DBTT легко проявляется, поскольку движение винтовых дислокаций очень чувствительно к температуре, поскольку перестройка ядра дислокации перед скольжением требует термической активации. Это может быть проблемой для сталей с высоким содержанием феррита. Известно, что это привело к серьезным трещинам корпуса кораблей Liberty в более холодных водах во время Второй мировой войны, в результате чего многие затонули. Сосуды были изготовлены из стального сплава с достаточной ударной вязкостью в соответствии с испытаниями на растяжение при комнатной температуре. Хрупкие разрушения происходили при относительно низких температурах окружающей среды, примерно при 4°C (40°F), вблизи температуры перехода сплава. Следует отметить, что низкопрочные ГЦК-металлы (например, медные сплавы) и большинство ГПУ-металлов не испытывают перехода из пластичного в хрупкое и сохраняют вязкость и при более низких температурах. С другой стороны, многие высокопрочные металлы (например, очень высокопрочные стали) также не испытывают перехода из пластичного в хрупкое, но при этом остаются очень хрупкими.

На DBTT также могут влиять внешние факторы, такие как нейтронное излучение, которое приводит к увеличению внутренних дефектов решетки, соответствующему снижению пластичности и увеличению DBTT.

Радиационное охрупчивание

Во время работы атомной электростанции материал корпуса реактора и другие внутрикорпусные устройства реактора подвергаются воздействию нейтронного излучения (особенно быстрых нейтронов >0,5 МэВ), что приводит к локализованному охрупчиванию стали и сварных швов в районе активной зоны реактора. Это явление, известное как радиационное охрупчивание , приводит к постоянному увеличению DBTT. Маловероятно, что DBTT приблизится к нормальной рабочей температуре стали. Однако существует вероятность того, что при остановке реактора или при аварийном расхолаживании температура может упасть ниже значения DBTT. В то же время внутреннее давление остается высоким. Поэтому ядерные регулирующие органы требуют, чтобы в энергетических реакторах с водяным охлаждением выполнялась программа наблюдения за материалом корпуса реактора.

См. также: Нейтронный отражатель

Радиационное охрупчивание может привести к потере вязкости разрушения. Как правило, низколегированные стали для корпусов реакторов высокого давления представляют собой ферритные стали, демонстрирующие классическое поведение от вязкого к хрупкому переходу от пластичного к хрупкому при понижении температуры. Эта переходная температура имеет наибольшее значение при разогреве установки.

Виды разрушения:

• Область низкой вязкости: Основной вид разрушения – хрупкое разрушение (трансгранулярное расщепление). При хрупком разрушении перед разрушением не происходит видимой пластической деформации. Трещины быстро распространяются.
• Область высокой ударной вязкости: Основным видом разрушения является вязкое разрушение (разрушение при сдвиге). При вязком разрушении перед разрушением происходит обширная пластическая деформация (образование шейки). Вязкое разрушение лучше, чем хрупкое, потому что перед разрушением происходит медленное распространение и поглощение большого количества энергии.

Нейтронное облучение имеет тенденцию к повышению температуры ( температура перехода от пластичного к хрупкому ), при которой происходит этот переход, и снижению пластической ударной вязкости.

Коррозионное растрескивание под напряжением

Одной из наиболее серьезных металлургических проблем и одной из основных проблем атомной промышленности является коррозионное растрескивание под напряжением (SCC). Коррозионное растрескивание под напряжением в результате приложенного растягивающего напряжения и агрессивная среда в сочетании . Оба влияния необходимы. SCC представляет собой тип межкристаллитной коррозии, возникающей на границах зерен под действием растягивающего напряжения. Он имеет тенденцию распространяться по мере того, как напряжение открывает трещины, подверженные коррозии, которые затем подвергаются дальнейшей коррозии, ослабляя металл за счет дальнейшего растрескивания. Трещины могут проходить по межкристаллитным или трансгранулярным путям, и часто имеется тенденция к разветвлению трещин. Поведение при разрушении характерно для хрупкого материала, хотя металлический сплав по своей природе пластичен. SCC может привести к неожиданному внезапному разрушению обычно пластичных металлических сплавов, подвергающихся растягивающему напряжению, особенно при повышенных температурах. SCC очень химически специфичен, поскольку некоторые сплавы могут подвергаться SCC только при воздействии небольшого количества химических сред.

Наиболее эффективными средствами предотвращения SCC в реакторных системах являются:

• правильное проектирование
• снижение нагрузки
• удаление критических компонентов окружающей среды, таких как гидроксиды, хлориды и кислород гидроксид может концентрироваться.

Коррозионное растрескивание под напряжением может вызвать, например, отказ топливных стержней ядерного топлива после несоответствующих изменений мощности, перемещения стержней и запуска установки. Некоторые аустенитные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы трескаются в присутствии хлоридов, а мягкие стали трескаются в присутствии щелочи (котловое растрескивание). Низколегированные стали менее восприимчивы, чем высоколегированные стали, но подвержены SCC в воде, содержащей ионы хлорида. Однако сплавы на основе никеля не подвержены влиянию ионов хлорида или гидроксида. Примером устойчивого к коррозионному растрескиванию сплава на основе никеля является инконель.

Специальный справочник: Министерство энергетики США, материаловедение. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. Январь 1993 г.

Коррозионное растрескивание под напряжением как механизм отказа топлива

Оболочка предотвращает попадание радиоактивных продуктов деления из топливной матрицы в теплоноситель реактора и его загрязнение. В прошлом были выявлены различные основные причины отказа топлива. Этими причинами были преимущественно производственные дефекты или коррозия в первые дни эксплуатации PWR и BWR. Одной из возможных причин является взаимодействие гранулы с оболочкой (PCI), которое может быть вызвано коррозионным растрескиванием под напряжением. Коррозионное растрескивание под напряжением может вызвать, например, выход из строя ядерных топливных стержней после несоответствующих изменений мощности, перемещения стержней и запуска установки.

В нормальных условиях эксплуатации температура гранул составляет около 1000°С в центре и 400–500°С на периферии. При значительном увеличении мощности температура в центре гранул резко возрастает (> 1500°C или даже > 2000°C). В этом случае разница тепловых расширений оболочки твэла и топливных таблеток вызывает увеличение напряжения в оболочке твэла. Разрушение топлива ПВР вызвано коррозионным растрескиванием внутренней поверхности оболочки, возникающим в результате комбинированного воздействия расширения топливных таблеток (особенно в радиальных трещинах таблеток и наличии агрессивный продукт деления среда (особенно газообразный йод ). Такой отказ возникает экспериментально после нескольких минут выдержки при устойчивых высоких уровнях мощности.

Специальный номер: CEA, отдел ядерной энергии. Nuclear Fuels, ISBN 978-2-281-11345-7

Водородное охрупчивание

Водородное охрупчивание является одной из многих форм коррозионного растрескивания под напряжением. Водородная хрупкость возникает в результате комбинированного действия приложенного растягивающего напряжения и агрессивной водородной среды. Оба влияния необходимы. В этом случае коррозионным агентом является водород в его атомарной форме (H в отличие от молекулярной формы, H ₂ ), который диффундирует через междоузлия через кристаллическую решетку, а концентрация всего в несколько частей на миллион может привести к растрескиванию. Хотя охрупчивание материалов принимает различные формы, водородное охрупчивание высокопрочных сталей оказывает наиболее разрушительное воздействие из-за катастрофического характера возникающих разрушений. Водородное охрупчивание — это процесс, при котором сталь теряет свою пластичность и прочность из-за крошечных трещин, возникающих в результате внутреннего давления водорода (H ₂ ), образующийся на границах зерен. В случае стали водород диффундирует вдоль границ зерен и соединяется с углеродом с образованием газообразного метана. Газообразный метан собирается в небольших пустотах вдоль границ зерен, где он создает огромное давление, вызывающее трещины и снижающее пластичность стали. Хрупкое разрушение может произойти, если металл находится под высоким растягивающим напряжением.

Это сложный процесс, который до конца не изучен из-за разнообразия и сложности механизмов, которые могут привести к охрупчиванию. Для объяснения водородного охрупчивания было предложено множество механизмов. Механизмы, предложенные для объяснения охрупчивания, включают образование хрупких гидридов и образование пустот, которые могут привести к образованию пузырей и увеличению давления внутри материала. Водород вводится на поверхность металла, и отдельные атомы водорода диффундируют через структуру металла. Поскольку растворимость водорода увеличивается при более высоких температурах, повышение температуры может увеличить диффузию водорода.

Для возникновения водородного охрупчивания требуется сочетание трех условий:

• присутствие и диффузия водорода
• восприимчивый материал
• напряжение

В сплавы циркония , водородная вставка рябь вызвана гидрированием циркония. На установках с ядерными реакторами термин «водородное охрупчивание» обычно относится к охрупчиванию циркониевых сплавов, вызванному гидрированием циркония.

Специальный справочник: Министерство энергетики США, материаловедение. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. 19 января.93.

Водородное охрупчивание циркониевых сплавов

Оболочка предотвращает попадание радиоактивных продуктов деления из топливной матрицы в теплоноситель реактора и его загрязнение. В прошлом были выявлены различные основные причины отказа топлива. Этими причинами были преимущественно производственные дефекты или коррозия в первые дни эксплуатации PWR и BWR. Одной из возможных причин также является:

• Внутреннее гидрирование. Непреднамеренное включение водородосодержащих материалов внутрь топливного стержня может привести к гидридированию и, как следствие, к охрупчиванию оболочки твэла. Источниками водорода в основном были остаточная влага или органические загрязнения в топливных таблетках/стержнях. Эта причина отказа была практически устранена за счет улучшения производства.
• Замедленное гидридное растрескивание (DHC). Замедленное гидридное растрескивание представляет собой зависящее от времени зарождение трещины и ее распространение через разрушение гидридов, которые могут образовываться перед вершиной трещины. Этот тип разрушения может быть инициирован длинными трещинами на внешней поверхности оболочки, которые могут распространяться в осевом/радиальном направлении. Этот механизм отказа потенциально может ограничивать работу с высоким выгоранием.

Агрессивным агентом в этом отношении является вода первого контура при температуре около 300°C. Она окисляет цирконий по реакции:

Zr + 2H ₂ O→ZrO ₂ + 2H ₂

приводит к образованию твердого оксида на поверхности металла.

Часть водорода, образующегося при коррозии циркония в воде, соединяется с цирконием с образованием отдельной фазы пластинок гидрида циркония (Zrh2.5). Водород мигрирует под действием температурного градиента, накапливаясь в менее горячих областях, образуя гидриды , которые могут вызывать хрупкость в оболочке по мере остывания топлива. Затем металл становится хрупким (пластичность снижается) и легко ломается. Трещины начинают формироваться в пластинах гидрида циркония и распространяются по металлу.

Водородное охрупчивание также очень важно для высокотемпературного парового окисления циркониевых сплавов.

Объясните хрупкий материал на примерах

Что такое хрупкий материал?

При нагрузке хрупкий материал трескается, практически не поглощая энергии. Никакая пластическая деформация не приводит к разрушению материала. Обычно при разрушении хрупкого материала раздается громкий щелчок. Вещество с ограниченной пластичностью также называют хрупким.

Далее мы обсудили теорию, используемую для проектирования, примеры, свойства, кривую деформации и разницу между пластичными и хрупкими материалами.

Загрузить Формулы для GATE Civil Engineering — Structural Analysis

Кривая напряжения-деформации для хрупкого материала

Кривая напряжения-деформации — это кривая, показывающая изменение напряжения, возникающего в материале, с приложенной к нему деформацией. Под кривой находится кривая напряжение-деформация для хрупкого материала, которая показывает изменение напряжения в зависимости от деформации.

Загрузить формулы для GATE Civil Engineering — Geotechnical Engineering

Теории, используемые для расчета хрупкого материала, включают теорию максимального основного напряжения и теорию максимального главного напряжения. Эти теории основаны на максимальном главном напряжении и максимальной главной деформации. Эти теории описаны ниже:

Теория максимального главного напряжения

Теория максимального главного напряжения также известна как теория Ренкина. Согласно этой теории, разрушение материала происходит, когда основное напряжение, вызванное любой комбинацией нагрузок, равно главному напряжению, возникающему в случае одноосного нагружения.

При проектировании с использованием хрупких материалов разрушение считается, когда значение напряжения превышает предел текучести. т.е.

σ _1,2 ≤σ _y , Для отсутствия разрушения материала

σ _1,2 ≤σ _y /FOS , Для проектирования

Теория максимального главного напряжения дает наилучший результат для проектирования хрупких материалов.

Теория максимальной главной деформации

Теория максимальной главной деформации также известна как теория Сен-Венана. Согласно этой теории, разрушение материала произойдет, когда главная деформация, вызванная любой комбинацией нагрузок, равна главной деформации, вызванной одноосным нагружением.

Основная деформация (Ε _1,2 ) при одноосном нагружении составляет σ _y /E.

Основная деформация (E _1,2 ) для комбинации нагрузок равна σ ₁ /E-νσ ₂ /E-νσ ₃ /E

Итак, для отсутствия разрушения материала σ ₁ /E-νσ ₂ /E-νσ ₃ /E≤σ _y /E

или σ ₁ -νσ _{2 9020 2 -νσ 3 ≤σ y}

А для проектирования, σ ₁ -νσ ₂ -νσ ₃ ≤σ _y /FOS

Где ν — коэффициент Пуассона материала.

Теория максимальной главной деформации может использоваться как для пластичных, так и для хрупких материалов.

Свойства хрупких материалов

Свойства хрупких материалов — это неотъемлемые характеристики материалов, которые описывают различные конструктивные параметры материалов. Вот некоторые свойства хрупкого материала.

• Хрупкие материалы разрушаются при растяжении.
• В хрупком материале пластическая деформация отсутствует или очень мала.
• Хрупкие материалы обладают высокой прочностью на сжатие и очень низкой прочностью на растяжение.
• Хрупкие материалы обладают очень низкой способностью противостоять ударным и вибрационным нагрузкам.

Сравнение пластичных и хрупких материалов

Пластичный материал демонстрирует значительную деформацию после достижения предела упругости, а хрупкий материал демонстрирует незначительную деформацию после достижения предела упругости. Здесь некоторые сравнения между пластичными и хрупкими материалами проиллюстрированы ниже.

Ковкий материал	Хрупкий материал
Пластичные материалы перед разрушением имеют значительную деформацию	Хрупкий материал не обладает значительной деформацией перед разрушением.
Пластичный материал слаб на сдвиг.	Хрупкий материал, слабый при растяжении.
Пластичные материалы имеют значительную зону пластичности.	Хрупкие материалы имеют очень меньшую пластическую зону.
Пластичный материал можно превратить в проволоку.	Хрупкие материалы имеют твердую природу; следовательно, они не могут быть сформированы в провода.

Разница между кривыми напряжения-деформации пластичных и хрупких материалов

Кривые напряжения-деформации для пластичного материала имеют больше пластических областей, но для хрупкого материала пластическая область отсутствует или очень мала. Вот различия между кривыми напряжения-деформации пластичных и хрупких материалов.

Примеры хрупких материалов

В гражданском строительстве используются многие материалы, в которых бетон является важным компонентом.