Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Материалдың сынықтылығын жоғалту, оны сынықты етеді. Сынықтылық - материалдың сынықтылығының айтарлықтай төмендеуі, ол материалды сынықты етеді. Қаттылық - қоршаған ортаның температура немесе қоршаған ортаның құрамы сияқты, қысымға ұшыраған материалдың механикалық өнімділігін бұзатын кез келген құбылысты сипаттау үшін қолданылады. Бұл жиі қажет емес, өйткені сынық сынықтар тез пайда болады және дуктильді сынықтардан гөрі оңай таралуы мүмкін, бұл жабдықтың толық бұзылуына әкеледі. Әр түрлі материалдарда сынығудың әртүрлі механизмдері бар, сондықтан ол баяу жарылудан бастап тартылудың ұзындықты және беріктіктігін азайтуға дейін әртүрлі жолдармен көрініс таба алады.
Loss of ductility of a material, making it brittle
Embrittlement is a significant decrease of ductility of a material, which makes the material brittle. Embrittlement is used to describe any phenomena where the environment compromises a stressed material's mechanical performance, such as temperature or environmental composition. This is oftentimes undesirable as brittle fracture occurs quicker and can much more easily propagate than ductile fracture, leading to complete failure of the equipment. Various materials have different mechanisms of embrittlement, therefore it can manifest in a variety of ways, from slow crack growth to a reduction of tensile ductility and toughness.
Механизмдер
Қаттылық - толық түсінілмеген күрделі механизмдер тізбегі. Механизмдер температураға, қысымға, дән шекараларына немесе материалдың құрамына байланысты болуы мүмкін. Алайда, әлсіздеу процесін зерттеу арқылы алдын алу шараларын қолдану арқылы әсерін азайтуға болады. Механизмдерді зерттеудің бірнеше жолдары бар. Металлдың сынықуы кезінде жарық өсу жылдамдығын өлшеуге болады. Компьютерлік симуляцияларды сынық болудың механизмдерін түсіндіру үшін де қолдануға болады. Бұл сутегінің сынық болуын (HE) түсіну үшін пайдалы, өйткені сутегінің материал арқылы диффузиясын модельдеуге болады. Сырқағышты бөлік соңғы сынуда рөл атқармайды; ол көбінесе жарық таралуына жауапты. Сырқалар алдымен ядролық болуы керек. Көптеген сынық механизмдер трансгранулярлық немесе интергранулярлық сынықтарды тудырады. Металлдың сынуына металдардың, кернеулердің және температуралардың белгілі бір комбинациялары ғана бейімделеді. Бұл кернеулік коррозияның жарылуына қарама-қарсы, онда кез-келген металл дұрыс ортаны ескере отырып, бейімделуі мүмкін. Дегенмен бұл механизм сұйық металлдың сынық болуына қарағанда әлдеқайда баяу, бұл жарыққа қарай және одан алысқа қарай атомдар ағынын бағыттағанын көрсетеді. Нейтронның сынық болуының негізгі механизмі - бөлінудің қосалқы өнімдерінен материалдың ішіндегі соқтығысулар.
Embrittlement is a series complex mechanism that is not completely understood. The mechanisms can be driven by temperature, stresses, grain boundaries, or material composition. However, by studying the embrittlement process, preventative measures can be put in place to mitigate the effects. There are several ways to study the mechanisms. During metal embrittlement (ME), crack growth rates can be measured. Computer simulations can also be used to enlighten the mechanisms behind embrittlement. This is helpful for understanding hydrogen embrittlement (HE), as the diffusion of hydrogen through materials can be modeled. The embrittler does not play a role in final fracture; it is mostly responsible for crack propagation. Cracks must first nucleate. Most embrittlement mechanisms can cause fracture transgranularly or intergranularly. For metal embrittlement, only certain combinations of metals, stresses, and temperatures are susceptible. This is contrasted to stress corrosion cracking where virtually any metal can be susceptible given the correct environment. Yet this mechanism is much slower than that of liquid metal embrittlement (LME), suggesting that it directs a flow of atoms both towards and away from the crack. For neutron embrittlement, the main mechanism is collisions within the material from the fission byproducts.
Сутегінің сынығып кетуі
Ең көп талқыланған және зиянды, сынықтардың бірі - металдардағы сутегі сынық. Сутек атомдарының металдарға, соның ішінде қоршаған ортадан немесе өңдеу кезінде (мысалы, электрлік қаптау). Сутегінің сынық болуына себеп болатын нақты механизм әлі анықталмаған, бірақ көптеген теориялар ұсынылып, әлі де тексерілуде. Сутек атомдары металдардың түйіршік шекараларына таралуы мүмкін, бұл дислокация қозғалысына кедергі болып, атомдар маңында кернеуді арттырады. Металлға қысым жасағанда, қысым сутегі атомдарының әсерінен дән шекараларына жақын шоғырланады, яғни жарық пайда болады және дән шекаралары бойымен таралады. Металдардағы сутегі сынығының әсерін болдырмау немесе азайтудың көптеген жолдары бар. Дәстүрлі тәсілдердің бірі - металлдың айналасына диффузиялық кедергілер ретінде әрекет ететін және қоршаған ортадан материалға сутегінің енуіне жол бермейтін қаптамалар қою. Тағы бір тәсіл - қоспаға тұзақтар немесе сіңіретін заттарды қосу, олар сутек атомын алып, басқа қосылысты құрайды.
One of the most well discussed, and detrimental, embrittlement is hydrogen embrittlement in metals. There are multiple ways that hydrogen atoms can diffuse into metals, including from environment or during processing (eg. electroplating). The exact mechanism that causes hydrogen embrittlement is still not determined, but many theories are proposed and are still undergoing verification. Hydrogen atoms are likely to diffuse to grain boundaries of metals, which becomes a barrier for dislocation motion and builds up stress near the atoms. When the metal is stressed, the stress is concentrated near the grain boundaries due to hydrogen atoms, allowing a crack to nucleate and propagate along the grain boundaries to relieve the built up stress. There are many ways to prevent or reduce the impact of hydrogen embrittlement in metals. One of the more conventional ways is to place coatings around the metal, which will act as diffusion barriers that prevents hydrogen from being introduced from the environment into the material. Another way is to add traps or absorbers in the alloy which takes into the hydrogen atom and forms another compound.
475 °C температурада сынықтайтын күйде
Дуплексті тот баспайтын болат өнеркәсіпте кеңінен қолданылады, өйткені ол өте жақсы тотығуға төзімді, бірақ оның үлкен феррит түйіршігі мен сынықтайтын бейімділігі 280-500 °C температурада, әсіресе 475 °C температурада, онда феррит ерітіндісінің спинодальдық ыдырауы Fe бай нанофазаға және Cr бай нанофазаға, G фазасы тұнбасымен бірге, феррит фазасын микро жарылыстардың артықшылықты бастау орны етеді.
Duplex stainless steel is widely used in industry because it possesses excellent oxidation resistance, but it can have limited toughness due to its large ferritic grain size and embrittlement tendencies at temperatures ranging from 280–500 °C, especially at 475 °C, where spinodal decomposition of the supersaturated solid ferrite solution into Fe rich nanophase and Cr rich nanophase , accompanied by G phase precipitation, occurs, which makes the ferrite phase a preferential initiation site for micro cracks.
Радиациялық сынығу
Радиациялық сынығу, нейтрондық сынығу деп те аталады, бұл реакторлар мен ядролық зауыттарда жиі байқалатын құбылыс, өйткені бұл материалдар тұрақты мөлшерде сәулеленудің әсеріне ұшырайды. Нейтрон металлға сәуле жібергенде, материалда бос орындар пайда болады, ол бос орынның шиеленуі деп аталады. Егер материал жыртылып (төмен тартылу жылдамдығы мен жоғары температура жағдайында) болса, босақтар бос орындарға бірігеді, бұл жұмыс бөлігінің механикалық беріктігіне қауіп төндіреді.
Radiation embrittlement, also known as neutron embrittlement, is a phenomenon more commonly observed in reactors and nuclear plants as these materials are constantly exposed to a steady amount of radiation. When a neutron irradiates the metal, voids are created in the material, which is known as void swelling. If the material is under creep (under low strain rate and high temperature condition), the voids will coalesce into vacancies which compromises the mechanical strength of the workpiece.
Қалшықтықтың басқа түрлері
Кернеулік коррозияның жарылуы (ККК) - сулы, коррозиялық материалдарға әсер етуден пайда болатын сынығу. Ол коррозиялық ортаға және созылу (сығу емес) кернеудің болуына негізделеді. Сульфидті стресс-крекинг - сульфидтің сіңірілуінен пайда болатын сынығу. Адсорбциялық сынығу - ылғалданғаннан пайда болатын сынығу. Сұйық металлдың сынығып кетуі (LME) - сұйық металдар салдарынан болатын сынық. Металлдан туындаған сынығу (МИЭ) - материалға қатты немесе сұйық металл атомдарының диффузиясынан пайда болатын сынығу. Мысалы, жоғары беріктікті болатқа кадмий қаптау, ол бастапқыда коррозияға жол бермеу үшін жасалды. Дәндердің шекаралық бөлінуі түйіршік аралық сынықтарды тудыруы мүмкін. Қаттылау кезінде дәндер шекаралары қоспадағы қоспалардың қоймасы ретінде бөлінеді. Бұл түйіршік шекарасының бөлінуі материал арқылы төмен беріктік жолдарының желісін құруға мүмкіндік береді. Пластмассаның негізгі сынық механизмі пластмассалардың біртіндеп жоғалуы, әдетте ыстықтану немесе ескіру арқылы. Асфальттың негізгі сынық механизмі тотығу арқылы жүзеге асады, бұл ыстық климаттарда өте ауыр. Асфальт жолдың сынығып қалуы (крокодилдің жарылуы) әр түрлі жарылу үлгілеріне әкелуі мүмкін, соның ішінде бойлық, көлденең және блок (алтыбұрышты). Асфальттың тотығуы полимерлердің ыдырауымен байланысты, өйткені бұл материалдар химиялық құрамы жағынан ұқсас.
Stress corrosion cracking (SCC) is the embrittlement caused by exposure to aqueous, corrosive materials. It relies on both a corrosive environment and the presence of tensile (not compressive) stress. Sulfide stress cracking is the embrittlement caused by absorption of hydrogen sulfide. Adsorption embrittlement is the embrittlement caused by wetting. Liquid metal embrittlement (LME) is the embrittlement caused by liquid metals. Metal induced embrittlement (MIE) is the embrittlement caused by diffusion of atoms of metal, either solid or liquid, into the material. For example, cadmium coating on high strength steel, which was originally done to prevent corrosion. Grain boundary segregation can cause brittle intergranular fracture. During solidification the grain boundaries end up as the repository for the impurities in the alloy by segregation. This grain boundary segregation can create a network of low toughness paths through the material. The primary embrittlement mechanism of plastics is gradual loss of plasticizers, usually by overheating or aging. The primary embrittlement mechanism of asphalt is by oxidation, which is most severe in warmer climates. Asphalt pavement embrittlement (aka crocodile cracking) can lead to various forms of cracking patterns, including longitudinal, transverse, and block (hexagonal). Asphalt oxidation is related to polymer degradation, as these materials bear similarities in their chemical composition.
Органикалық емес шыны мен керамиканың сынық болуы
Қаттылық механизмі металлдарға ұқсас. Органикалық емес шынының сынық болуы статикалық шаршау арқылы көрініс табады. Пирэкс сияқты шынылардың сынығылуы ылғалдың әсерінен болады. Жарықтардың өсу қарқыны ылғалдылыққа байланысты сызықтық түрде өзгереді, бұл бірінші реттік кинетикалық байланысты көрсетеді. Осы механизм арқылы Пайрекстің статикалық шаршауы ерітудің жарықтың ұшында шоғырлануын талап етеді. Егер еріту жарық тегіс беттерінде біркелкі болса, жарық ұшы тұншырайды. Бұл материалдың сындыру беріктігін 100 есеге арттырады. Сицилий/алюминий композиттерінің сынық болуы сабақты мысал ретінде қолданылады. Бұл жүйенің механизмі негізінен матрицадағы жарықтар арқылы материалға оттегінің диффузиясы болып табылады. Қысқылтек SiC талшықтарына жетіп, силикатты түзеді. Жаңа пайда болған силикаттың айналасына стресс шоғырланады және талшықтың беріктігі төмендейді. Бұл материалдың типтік сыну кернеуінен аз кернеуде сынуға әкеледі.
The mechanisms of embrittlement are similar to those of metals. Inorganic glass embrittlement can be manifested via static fatigue. Embrittlement in glasses, such as Pyrex, is a function of humidity. Growth rate of cracks vary linearly with humidity, suggesting a first order kinetic relationship. The static fatigue of Pyrex by this mechanism requires dissolution to be concentrated at the tip of the crack. If the dissolution is uniform along the crack flat surfaces, the crack tip will be blunted. This blunting can actually increase the fracture strength of the material by 100 times. The embrittlement of SiC/alumina composites serves as an instructive example. The mechanism for this system is primarily the diffusion of oxygen into the material through cracks in the matrix. The oxygen reaches the SiC fibers and produces silicate. Stress concentrates around the newly formed silicate and the fibers' strength is degraded. This ultimately leads to fracture at stresses less than the material's typical fracture stress.
Полимерлерді сынықтандыру
Полимерлер әр түрлі композицияларда болады, ал химияның бұл әртүрлілігі кең ауқымды сынық механизмдерге әкеледі. Полимерлердің сынық болуының ең көп таралған көздері ауадағы оттегі, сұйық немесе бу түріндегі су, күн сәулесінен келетін ультрафиолет сәулелері, қышқылдар және органикалық еріткіштер. Бұл көздердің полимерлердің механикалық қасиеттерін өзгертетін тәсілдерінің бірі - тізбекті бөлу және тізбекті қиылыстыру. Тізбектің бөлінуі негізгі тізбектегі атомдық байланыстар бұзылған кезде пайда болады, сондықтан күн сәулесі сияқты элементтермен қоршаған орта осы сынықтылыққа әкеледі. Тізбектің ыдырауы материалдағы полимерлік тізбектердің ұзындығын азайтады, нәтижесінде беріктігі төмендейді. Тізбекті қиылыстырып жалғау кері әсер етеді. Кресс-байланыстардың санының артуы (мысалы, тотықтырғыш ортаға байланысты) күшті, аз икемді материалды тудырады. Полиэтиленнің термиялық тотығуы тізбекті ыдыраудың сапалы мысалын ұсынады. Кездейсоқ тізбектің бөлінуі тізбектердің орташа молярлық массасы сынған мәннен төмен түскен кезде, иілгіштік мінез-құлықтан сынушылыққа өзгеруді тудырады. Полиэтилен жүйесі үшін, орташа молярлық масса 90 кг/моль-ден төмен болған кезде сынығу пайда болды. Бұл өзгерістердің себебі - түйісудің азаюы және кристаллизмнің өсуі деп болжалды. Полимерлердің сымбаттылығы әдетте олардың аморфты құрылымының нәтижесі болып табылады, сондықтан кристаллизмнің артуы полимерді сынықтырады. Полиэтилен терефталат жағдайында гидролиз тізбекті ыдыраудың сынық болуын тудырады. Механикалық қасиеттердің нашарлауы жылжымалы аморфты фракцияның (МАФ) төмендеуімен байланысты екендігі және минималды МАФ жеткен кезде сымбаттылықтан сымбаттылыққа көшудің пайда болатыны дәлелденді. Бұл молекулалық түсінікпен емес, микромеханикалық түсінікпен күшейту механизмін қолдайды. Силиконды каучуктың сынығып кетуі тізбектің қиылысуының артуына байланысты. Силикон каучукті ауамен 250 °C (482 °F) жоғары температурада өткізген кезде негізгі тізбекте метилдік жақтау топтарында тотықтырғыш қиылысу реакциялары пайда болады. Бұл қиылысқан байланыстар резеңкеге едәуір аз икемділік береді. Еріткіштің қысымды жарылуы полимердің елеулі сынық механизмі болып табылады. Бұл сұйықтықтар немесе газдар полимерге сіңіп, нәтижесінде жүйені қабыту кезінде пайда болады. Полимердің ірілуі қиып өту ағынының азаюына және жарылудың күшеюіне әкеледі. Органикалық еріткіштерден еріткіштің стресс жарылуы сұйықтықтардың төмен қозғалмалылығынан статикалық шаршауға әкеледі. Газдардың еріткіштің қысымды жарылуы үлкен жарылу сезімталдығын тудырады. Поликарбонат еріткіштің қысымды жарылуының жақсы мысалын көрсетеді. Көптеген еріткіштердің поликарбонатты (мысалы, бензол, толуол, ацетон) ұқсас механизм арқылы сындыруы дәлелденген. Еріткіш массаға таралады, полимерді үрлейді, кристалдануды тудырады және ақыр соңында реттелген және ретсіз аймақтар арасындағы интерфейстерді жасайды. Бұл интерфейстер бос орындар мен кернеу өрістерін шығарады, олар полимердің әдеттегі кернеу беріктігінен әлдеқайда төмен кернеулерде материал бойына таралуы мүмкін.
Polymers come in a wide variety of compositions, and this diversity of chemistry results in wide ranging embrittlement mechanisms. The most common sources of polymer embrittlement include oxygen in the air, water in liquid or vapor form, ultraviolet radiation from the sun, acids, and organic solvents. One of the ways these sources alter the mechanical properties of polymers is through chain scission and chain cross linking. Chain scission occurs when atomic bonds are broken in the main chain, so environments with elements such as solar radiation lead to this form of embrittlement. Chain scission reduces the length of the polymer chains in a material, resulting in a reduction of strength. Chain cross linking has the opposite effect. An increase in the number of cross links (due to an oxidative environment for example), results in stronger, less ductile material. The thermal oxidation of polyethylene provides a quality example of chain scission embrittlement. The random chain scission induced a change from ductile to brittle behavior once the average molar mass of the chains dropped below a critical value. For the polyethylene system, embrittlement occurred when the weight average molar mass fell below 90 kg/mol. The reason for this change was hypothesized to be a reduction of entanglement and an increase in crystallinity. The ductility of polymers is typically a result of their amorphous structure, so an increase in crystallinity makes the polymer more brittle. In the case of polyethylene terephthalate, hydrolysis produces chain scission embrittlement. It has been demonstrated that the degradation of the mechanical properties correlates with the reduction of the mobile amorphous fraction (MAF), and that the ductile to brittle transition occurs when the minimum MAF is reached. This supports a micromechanical interpretation of the embrittlement mechanism rather than a molecular interpretation. The embrittlement of silicone rubber is due to an increase in the amount of chain cross linking. When silicone rubber is exposed to air at temperatures above 250 °C (482 °F) oxidative cross linking reactions occur at methyl side groups along the main chain. These cross links make the rubber significantly less ductile. Solvent stress cracking is a significant polymer embrittlement mechanism. It occurs when liquids or gasses are absorbed into the polymer, ultimately swelling the system. The polymer swelling results in less shear flow and an increase in crazing susceptibility. Solvent stress cracking from organic solvents typically results in static fatigue because of the low mobility of fluids. Solvent stress cracking from gasses is more likely to result in greater crazing susceptibility. Polycarbonate provides a good example of solvent stress cracking. Numerous solvents have been shown to embrittle polycarbonate (i. e. benzene, toluene, acetone) through a similar mechanism. The solvent diffuses into the bulk, swells the polymer, induces crystallization, and ultimately produces interfaces between ordered and disordered regions. These interfaces produce voids and stress fields that can be propagated throughout the material at stresses much lower than the typical tensile strength of the polymer.