Транскристаллитный перелом

Транскристаллитный излом — это тип излома , который происходит через кристаллические зерна материала. В отличие от межкристаллитных изломов , которые происходят, когда излом следует границам зерен, этот тип излома пересекает микроструктуру материала непосредственно через отдельные зерна. Этот тип излома обычно является результатом сочетания высоких напряжений и дефектов материала, таких как пустоты или включения, которые создают путь для распространения трещины через зерна. Широкий спектр пластичных или хрупких материалов, включая металлы, керамику и полимеры, может испытывать транскристаллитный излом. При исследовании с помощью сканирующей электронной микроскопии этот тип излома выявляет ступеньки скола, речные узоры, перьевые отметины, ямки и языки. ^[1] Излом может несколько менять направление при входе в новое зерно, чтобы следовать новой ориентации решетки этого зерна, но это менее серьезное изменение направления, чем потребовалось бы для следования границам зерен. Это приводит к довольно гладкому виду излома с меньшим количеством острых краев, чем тот, который следует границам зерен. ^[2] Это можно представить как пазл, вырезанный из цельного листа дерева с видимыми волокнами древесины. Транскристаллитный излом следует волокнам древесины, а не краям пазла частей пазла. Это отличается от межкристаллитного излома, который, в этой аналогии, будет следовать краям пазла, а не волокнам древесины.

Механизм транскристаллитного разрушения

Механизм транскристаллитного разрушения может варьироваться в зависимости от материала и окружающих условий, в которых происходит разрушение. ^[3] Однако в процессе транскристаллитного разрушения обычно присутствуют некоторые общие этапы:

Зарождение трещины: Первым шагом в транскристаллитном разрушении является зарождение трещины внутри материала. Это может быть вызвано рядом факторов, таких как производственные дефекты, дефекты поверхности или воздействие условий высокого напряжения.
Распространение трещины: После образования трещины она может распространиться по всему материалу под воздействием концентрации напряжений и других факторов.
Пластическая деформация: По мере распространения трещины материал вблизи трещины подвергается значительной пластической деформации из-за локальной концентрации напряжений. Эта деформация может привести к появлению небольших пустот или дефектов внутри материала, что еще больше способствует распространению трещины.
Коалесценция пустот: По мере распространения трещины эти небольшие пустоты могут расти и сливаться, образуя более крупные пустоты или полости внутри материала. Эти пустоты могут еще больше ослабить материал и способствовать распространению трещины.
Окончательный разрыв: В конечном итоге совокупное воздействие распространения трещин, пластической деформации и слияния пустот может привести к окончательному разрыву материала, что приведет к транскристаллитному разрушению.

В пластичных металлах пластическая деформация материала может быть критическим фактором в процессе транскристаллитного разрушения, в то время как в хрупких материалах, таких как керамика, на образование и рост трещин могут влиять такие факторы, как размер зерна, пористость, а также наличие примесей или других дефектов.

Факторы, влияющие на транскристаллитный перелом

Температура: Температура, при которой нагружается материал, также может влиять на возникновение и характеристики транскристаллитных трещин. В некоторых материалах возникновение транскристаллитных трещин может увеличиваться при более низких температурах из-за повышенной хрупкости или сниженной пластичности. ^[4]
Наличие дефектов или включений: Как упоминалось ранее, наличие пустот или включений в материале может создавать локализованные области концентрации напряжений и ослаблять материал, делая его более восприимчивым к транскристаллитному разрушению. Размер, форма и ориентация этих дефектов могут влиять на вероятность и серьезность разрушения. ^[5]
Факторы окружающей среды: Присутствие определенных газов, жидкостей или других факторов окружающей среды также может влиять на вероятность транскристаллитного разрушения. Например, водородная хрупкость может вызывать транскристаллитные разрушения в некоторых материалах, ослабляя материал на микроскопическом уровне. ^[6]
Состояние поверхности: Состояние поверхности материала, включая наличие царапин, трещин или других дефектов, также может влиять на возникновение и путь транскристаллитного разрушения. ^[7]
Условия нагрузки: Высокие концентрации напряжений, высокие скорости нагрузки и циклическая нагрузка могут увеличить вероятность транскристаллитных трещин. Направление приложенного напряжения также может влиять на ориентацию и путь распространения трещины. ^[8]

Переход от межкристаллитного к транскристаллитному разрушению

Поведение материалов при разрушении можно значительно изменить, используя проектирование границ зерен на основе преципитации. Например, Мейндлхумер и др. ^[9] создали тонкую пленку AlCrN, содержащую определенное распределение преципитатов в границах зерен в проектировании границ зерен на основе преципитации. Преципитаты действовали как барьер для распространения трещин, увеличивая устойчивость материала к межкристаллитному растрескиванию. Кроме того, преципитаты изменяли распределение напряжений внутри материала, способствуя вместо этого транскристаллитному распространению трещин. Кроме того, было показано, что более мелкие преципитаты с более равномерным распределением более эффективны в содействии транскристаллитному разрушению.

Ссылки

^ Паркс, Брайан (2012-03-16). "Трубчатый разрыв: выявление причины". Drilling Contractor . Получено 2023-05-11 .
^ "Типы хрупкого разрушения". Архивировано из оригинала 2016-01-30.
^ Кортни, Томас Х. (2005). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Waveland Press. ISBN 1577664256.
^ Syu, D. -GC; Ghosh, AK (1994-07-15). "Влияние температуры на механизм разрушения в композите 2014A1/15vol.%Al2O3". Materials Science and Engineering: A . 184 (1): 27– 35. doi :10.1016/0921-5093(94)91071-5. hdl : 2027.42/31436 . ISSN 0921-5093.
^ Charitidis, CA; Karakasidis, TE; Kavouras, P; Karakostas, Th (2007-07-04). "Влияние размера кристаллических включений на режимы разрушения в стеклокерамических материалах". Journal of Physics: Condensed Matter . 19 (26): 266209. doi :10.1088/0953-8984/19/26/266209. ISSN 0953-8984. PMID 21694086.
^ Робертсон, ИМ; Табата, Т.; Вэй, В.; Хойбаум, Ф.; Бирнбаум, ХК (1984-08-01). «Водородная хрупкость и разрушение границ зерен». Scripta Metallurgica . 18 (8): 841– 846. doi :10.1016/0036-9748(84)90407-1. ISSN 0036-9748.
^ Сингх, Дилип; Шетти, Динеш К. (январь 1989). «Вязкость разрушения поликристаллической керамики при комбинированной нагрузке в режимах I и II». Журнал Американского керамического общества . 72 (1): 78– 84. doi :10.1111/j.1151-2916.1989.tb05957.x. ISSN 0002-7820.
^ Педерсен, Кетилл О.; Борвик, Торе; Хопперстад, Одд Стуре (1 января 2011 г.). «Механизмы разрушения алюминиевого сплава АА7075-Т651 при различных условиях нагружения». Материалы и дизайн . 32 (1): 97–107 . doi :10.1016/j.matdes.2010.06.029. ISSN 0261-3069.
^ Мейндлумер, М.; Цигельвангер, Т.; Залесак, Дж.; Ганс, М.; Лёфлер, Л.; Спор, С.; Ягер, Н.; Старк, А.; Хруби, Х.; Дэниел, Р.; Холец, Д.; Шнайдер, Дж. М.; Миттерер, К.; Кекес, Дж. (15 сентября 2022 г.). «Дизайн границ зерен на основе осадков изменяет межзеренное разрушение в тонких пленках AlCrN». Акта Материалия . 237 : 118156. doi :10.1016/j.actamat.2022.118156. ISSN 1359-6454.

[1] Паркс, Брайан (2012-03-16). "Трубчатый разрыв: выявление причины". Drilling Contractor . Получено 2023-05-11 .

[2] "Типы хрупкого разрушения". Архивировано из оригинала 2016-01-30.

[3] Кортни, Томас Х. (2005). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Waveland Press. ISBN 1577664256.

[4] Syu, D. -GC; Ghosh, AK (1994-07-15). "Влияние температуры на механизм разрушения в композите 2014A1/15vol.%Al2O3". Materials Science and Engineering: A . 184 (1): 27– 35. doi :10.1016/0921-5093(94)91071-5. hdl : 2027.42/31436 . ISSN 0921-5093.

[5] Charitidis, CA; Karakasidis, TE; Kavouras, P; Karakostas, Th (2007-07-04). "Влияние размера кристаллических включений на режимы разрушения в стеклокерамических материалах". Journal of Physics: Condensed Matter . 19 (26): 266209. doi :10.1088/0953-8984/19/26/266209. ISSN 0953-8984. PMID 21694086.

[6] Робертсон, ИМ; Табата, Т.; Вэй, В.; Хойбаум, Ф.; Бирнбаум, ХК (1984-08-01). «Водородная хрупкость и разрушение границ зерен». Scripta Metallurgica . 18 (8): 841– 846. doi :10.1016/0036-9748(84)90407-1. ISSN 0036-9748.

[7] Сингх, Дилип; Шетти, Динеш К. (январь 1989). «Вязкость разрушения поликристаллической керамики при комбинированной нагрузке в режимах I и II». Журнал Американского керамического общества . 72 (1): 78– 84. doi :10.1111/j.1151-2916.1989.tb05957.x. ISSN 0002-7820.

[8] Педерсен, Кетилл О.; Борвик, Торе; Хопперстад, Одд Стуре (1 января 2011 г.). «Механизмы разрушения алюминиевого сплава АА7075-Т651 при различных условиях нагружения». Материалы и дизайн . 32 (1): 97–107 . doi :10.1016/j.matdes.2010.06.029. ISSN 0261-3069.

[9] Мейндлумер, М.; Цигельвангер, Т.; Залесак, Дж.; Ганс, М.; Лёфлер, Л.; Спор, С.; Ягер, Н.; Старк, А.; Хруби, Х.; Дэниел, Р.; Холец, Д.; Шнайдер, Дж. М.; Миттерер, К.; Кекес, Дж. (15 сентября 2022 г.). «Дизайн границ зерен на основе осадков изменяет межзеренное разрушение в тонких пленках AlCrN». Акта Материалия . 237 : 118156. doi :10.1016/j.actamat.2022.118156. ISSN 1359-6454.