Proč se šíří trhliny

Krystalické mřížky, trhliny a jejich šíření

Podstata spočívá v rozdílné mikrostruktuře. Kovy, které většinou krystalují v jednoduché soustavě kubické prostorově centrované (body cubic centred) nebo plošně centrované (face cubic centred), disponují dostatečným počtem skluzových systémů. To jsou roviny a směry s vysokou hustotou uspořádání atomů. Na rozdíl od nich keramické materiály na bázi oxidů (ZrO₂, Al₂O₃), karbidů (WC, SiC) či nitridů (Si₃N₄) kovů krystalují většinou v soustavách s komplikovanějším uspořádáním atomů. I když tyto materiály mají vynikající pevnost, odvozenou z iontové nebo kovalentní vazby mezi atomy, mají jen velmi omezené možnosti plastické deformace a k tomu, aby v nich vznikla trhlina, není třeba mnoho energie.

Proto probíhá plastická deformace stimulovaná vzájemným smykovým pohybem hustě uspořádaných rovin atomů snadněji u kovů než u keramických materiálů. Kovy jsou však také ve srovnání s ostatními materiály schopny pohltit před porušením až 1000krát vyšší energii, a tím skýtají kromě pevnosti i vynikající houževnatost. Ochranná bariéra silné plastické deformace na čele trhliny v kovech její šíření zpomaluje, popřípadě může pokračování trhliny zcela zastavit. Neznamená to však, že by ocelové konstrukce při vysokých zatíženích, po dlouhodobé teplotní degradaci nebo při snížených teplotách nepraskaly. Příkladů z technické praxe, kdy k tomu došlo, je mnoho. Mohou to být trhliny v plynovodech, tlakových zařízeních či v kolejnicích za zimního provozu.

Vlastní šíření trhliny se řídí poměrem dvou významných veličin – hnací síly trhliny a odporu proti šíření trhliny. Hnací síla trhliny představuje vloženou práci vnějších sil nebo uvolněnou deformační energii působícího zatížení. Když budeme na těleso s trhlinou působit nějakou silou, vytváříme v okolí trhliny předpoklady (potenciál) k jejímu dalšímu šíření. Ty lze číselně vyjádřit hnací sílou trhliny. Samotný materiál se díky působení meziatomových sil a dalších mechanizmů růstu trhliny brání, klade odpor proti šíření trhliny. I tuto veličinu lze změřit či vypočítat. Pokud je hnací síla trhliny vyšší než odpor proti jejímu šíření, bude se trhlina šířit dál. Podle mechanizmu odporu proti šíření trhliny bude její postup různě rychlý. Chceme-li šíření trhliny zabránit, musíme hnací sílu nějak snížit, například odlehčením příslušné komponenty. Když je hnací síla trhliny nižší než odpor proti šíření, trhlina se nešíří, různé součástky mohou v tomto režimu pracovat bez rizika katastrofického lomu a jsou známy případy, kdy mostní konstrukce s trhlinami plnily svou funkci po dlouhou dobu.

Chceme-li tedy ve stadiu návrhu komponenty vytvořit podmínky, které brání vzniku a šíření trhlin při zatížení, musí být odpor proti šíření trhliny materiálu dopředu dimenzován tak, aby převyšoval předpokládanou úroveň hnací síly trhliny.

Křehnutí kovů

U kovových materiálů musíme dobře znát mechanizmy, které zvyšují schopnost plastické deformace, ať již vhodnou kombinací přidávaných (legujících) prvků, které zlepšují deformační vlastnosti mřížky, nebo odstraněním složek působících křehnutí, tedy těch, jež deformovatelnost mřížky snižují. Například snížení teploty drasticky redukuje houževnatost uhlíkových ocelí s kubickou prostorově centrovanou mřížkou a zásadně mění mechanizmus, jakým se trhlina šíří. Z vysoce energeticky náročného mechanizmu tvárného porušení se při snížených teplotách stává mechanizmus křehkého lomu a ocel se tak svým lomovým chováním blíží keramice. Pro tvárné porušení je typický vysoký odpor proti šíření trhliny, u křehkého lomu je odpor naopak mimořádně nízký. Výskyt křehkého lomu charakterizuje defektní stavy materiálu. Rizika zkřehnutí většiny konstrukčních kovových materiálů představují rovněž nečistoty, metalurgické vady, odloučení příměsí do mezifázových hranic a změny mikrostruktury vyvolané dlouhodobými vyššími teplotami (například u energetických součástek).

Houževnatá skla

Zvyšovat odolnost vůči vzniku a šíření křehkých trhlin v keramických materiálech a anorganických nekovových sklech je jen velmi obtížné (viz Vesmír 78, 197, 1999/4 a 79, 617, 2000/11). Tyto materiály se vůbec nemohou plasticky deformovat, u kořene ostré trhliny se napětí nemůže uvolnit, odpor proti šíření trhliny je velice nízký a energie potřebná pro zlomení tělesa je malá. Přesto se úspěšně hledají cesty jak houževnatost keramiky a skel zvýšit. Tyto metody spočívají v takových úpravách struktury, jež zvyšují schopnost pohltit deformační energii ještě předtím, než se začne trhlina šířit. Děje se tak třeba zásahy do mikrostruktury, které zvýší drsnost lomové plochy, popřípadě vedou k jejímu větvení. Jestliže se zavedou křehké částice Al₂O₃ do amorfního skla a vytvoří se kompozit (složený materiál), vzroste houževnatost více než dvojnásobně. Jinou cestu pro zvýšení houževnatosti křehkého materiálu představuje přemostění trhliny dlouhými pevnými vlákny. Díky výrazně vyšší pevnosti a modulu pružnosti vláken (v porovnání s matricí) se zatížení přenese z matrice na vlákna a ta brzdí rozevření i další šíření trhliny. K lomu vláken sice stejně může dojít, ale daleko později. Další energie se spotřebuje při vytahování vláken z matrice. U kompozitů tvořených skelnou matricí a dlouhými vlákny SiC o průměru okolo 10 mikrometrů se zvýší houževnatost více než 40krát, takže je ještě vyšší než houževnatost nástrojových či ložiskových ocelí.

Kontrola zvyšuje bezpečnost

Odolnost materiálů proti šíření trhlin snižují také např. vady a strukturní defekty, kolem nichž se koncentruje napětí. Když například dosahuje běžné střední napětí v konstrukčním prvku jen 150 MPa, v blízkosti kruhového otvoru to může být až trojnásobek a u defektů typu ostrých trhlin je to ještě více. Vzhledem k požadavku na výrobu vysoce bezpečných konstrukcí je proto nutné používat takové materiály, kde byla provedena 100% defektoskopická kontrola, nejčastěji ultrazvukovou zkouškou.

Chybami se materiál učí

Studium příčin vzniku a šíření trhlin je klíčem k optimalizovanému designu materiálu. Vzhled lomu u experimentálních materiálů a havarovaných součástek či konstrukcí poskytuje základní informaci o odezvě materiálu na vnější zatížení. Kvantifikace těchto projevů spojená s výpočty napěťově deformačních stavů umožňuje určit kritická místa (komponenty i mikrostruktury), upřesnit příčiny havárie či zvolit nejlepší materiál pro daný případ.

Článek čerpá z prací podporovaných řadou grantů. Z nich je nezbytné zmínit společně řešený projekt GA ČR 106/06/0646 (Mikromechanika self afinních fraktálních trhlin v křehkých materiálech) a doktorský projekt GA ČR 106/05/H008 (Víceúrovňový design pokrokových materiálů).