книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

их дислокационной структуры. Мы не можем сделать ни одного шага без дислокационных представлений при попытке подойти к более глубокому пониманию процессов, обусловливающих разрушение кристаллических тел.

Теперь перейдем к выяснению атомного механизма образова­ ния хрупкой трещины. При этом будем исходить из установлен­ ного факта, что в интересующих нас кристаллах появление хруп­ ких трещин предопределено предшествующей пластической деформацией. Тогда, чтобы проследить условия хрупкого раз­ рушения, необходимо разобраться в механизме пластической деформации.

Обсудим возможность образования трещин с точки зрения современных дислокационных представлений. Начнем с рассмот­ рения поведения совершенного кристалла, через который про­ шла одна дислокация. Это схематически представлено на рис. 6.

Очевидно, что в данном идеальном примере прохождение сдви­ га не приведет ни к каким остаточным изменениям в объеме крис­ талла. В результате появятся лишь ступеньки на поверхности. Отсюда ясно, что такого рода сдвиг не приведет к созданию в кристалле предпосылки для появления трещины. Если бы но этой плоскости прошел еще ряд дислокаций, то это ничего бы не изменило, кроме того, что величина пластического сдвига

увеличилась бы. Отсюда следу­ ет, что пластическая деформа­ ция не приводит к образованию остаточных изменений, в том числе трещин, — это противоре­ чит упомянутым выше фактам, относящимся к хрупкому раз­ рушению и заключающимся в том, что пластическая деформа­ ция создает предпосылки к хру­ пкому разрушению. В чем же дело? Почему возникает это противоречие?

Дело, оказывается, в том, что реально наблюдаемая кар­ тина сдвигообразования существенно отличается от идеализиро­ ванного случая, представленного на рис. 6.

Положение меняется, если учесть наличие несовершенств в кристалле, которые приведут к тому, что движение дислокаций не будет проходить так гладко. Движение дислокаций неоднород­ но. Дислокации встречают препятствия своему движению. В результате появляются скопления их. Один из возможных видов скоплений представлен на рис. 7. Дальше необходимо учесть, что с каждой дислокацией связано поле напряжений, с помощью которого дислокации взаимодействуют друг с другом. Наличие скоплений дислокаций приводит к эффектам концентрации напряжений.

Так, в случае, изображенном на рис. 7, препятствие удержи­ вает ряд одинаковых дислокаций, порожденных одним отдален­ ным источником в плоскости скольжения. Такая последователь­ ность дислокаций представляет собой полосу скольжения, рас­ пространяющуюся от источника до препятствия.

Важная особенность скоплений дислокаций в том, что при­ ложенные напряжения толкают дислокации вслед за ведущей дислокацией лидером, так что у препятствия они как бы плотно спрессованы. Это давление дислокациий увеличивает напряже­ ния, действующие в области головной дислокации в п раз, где

пчисло дислокаций в скоплении. Налицо концентрация напряжений.

Это очень важный эффект! Он позволяет полосам скольже­ ния, Содержащим много дислокаций, преодолевать препятствия при напряжениях, меньших чем те, которые необходимы в случае одной дислокации. Он позволяет в некоторых участках кристал­

ла создать напряжения, достигающие теоретической прочности

итем самым вызвать образование элементарной трещины.

По дислокационной теории элементарные трещины образуют­ ся в резулыате взаимодействия подобных дислокационных скоп­ лений. Ряд примеров такого взаимодействия будет приведен ниже. Теория дислокаций успешно используется для описания трещин.

Как сказано в работе [12], «В теории дислокаций рассмотрен ряд атомных механизмов зарождения трещин, представляющих, по существу, конкретизацию общей идеи А. В. Степанова о воз­ никновении очагов разрушения вследствие неоднородного про­ текания пластической деформации».

Следует различать два вида трещин: геометрические и сило­

ности материала происходят вследствие изъятия вещества, на­ пример объединения вакансий. В результате возникает зароды­ шевая трещина с тупой (в атомных масштабах) вершиной (рис. 8, а).

С и л о в ы е трещины образуются в участках с высокими внутренними напряжениями, вызванными дислокациями. Та­ кие трещины имеют острую вершину (рис. 8, б). Как видно изрисунка, геометрические трещины более устойчивы, чем силовые: при захлопывании геометрических трещин необходима допол­ нительная работа на образование дислокационной петли.

Ряд вариантов образования силовых трещин в результате взаимодействия скоплений представлен на рис. 9. Каждый из от­ дельных вариантов рис. 9 есть результат решения сложной задачи дислокационной теории. Во всех представленных на рисунке слу­ чаях появление элементарных трещин рассматривается как ре­ зультат столкновения и взаимодействия дислокационных скоп­ лений.

мере опытом, что основной механизм размножения дислокаций— это «поперечное скольжение».

Врезультате поперечного скольжения, во-первых, могут быть созданы новые источники дислокаций — источники Фран­ ка—Рида, лежащие в других плоскостях, чем первоначальные, что приведет к уширению области, где происходят сдвиги, и утол­ щению полосы скольжения; во-вторых, появятся вакансии и группы вакансий сверх тех, которые были в кристалле до опыта.

Врезультате возникнет макроскопическая полоса скольже­ ния, с которой будут связаны остаточные структурные измене­ ния. Оказывается, что макроскопические сдвиги занимают ко­ нечный объем, поэтому следует говорить о зоне сдвига. Кроме то­ го, этот объем кристалла будет «разрыхленным». Оперируя не­ сколько неопределенным качественным термином «разрыхление», мы имеем в виду, что объем кристалла, приходящийся на об­ ласть сдвига, характеризуется повышенной плотностью содер­ жания различного рода дефектов решетки, прежде всего дисло­ каций, поскольку это первое отличие полосы скольжения от всего остального объема кристалла, затем вакансий и, наконец, дислокационных атмосфер, природа которых может быть при­ месной или вакансионной.

Рыхление создает благоприятные условия для возникнове­ ния зародышевых элементарных трещин, развитие которых мо­ жет привести к хрупкому разрушению.

Следует подчеркнуть то обстоятельство, что, говоря о струк­ туре полосы скольжения, надо придавать этому понятию не ста­ тический, а динамический смысл в виду того, что она подвергает­ ся непрерывному изменению как в процессе деформирования, своего создания, так и после, хотя и в меньшей степени, из-за релаксации напряжений и теплового движения. Есть целый ряд опытных фактов, указывающих на то, что структурное состоя­ ние полосы скольжения наиболее опасно (или благоприятно для создания зародышевых трещин) в процессе ее создания

(возникновения).

Взаимодействие дислокационных скоплений приводит к об­ разованию многочисленных элементарных трещин, чему спо­ собствует «разрыхление» зон сдвига. Слияние элементарных трещин в результате приводит к появлению макроскопической хрупкой трещины.

Конечно, нарисованная здесь картина образования хрупкой трещины весьма схематична.

Однако так в общих чертах, по-видимому, следует' представ­ лять процесс образования трещин, исходя из современного фи­ зического учения о механических свойствах кристаллов.

Например, говоря о хрупком разрушении, нельзя не упомя­ нуть об одном важном обстоятельстве, о котором обычно говорят вначале. А именно, отмечено, что хрупкое разрушение у метал­ лов наблюдается в случае наличия у них плоскостей с особыми механическими свойствами — плоскостей спайности. Вообще говоря, все перечисленные выше схемы будут в полной мере дей­ ствовать тогда, когда есть плоскости спайности. Однако природа плоскостей спайности еще неясна. Возможно, что поведение не­ которых групп кристаллов (например, кристаллов квасцов при низких температурах) отлично от описанного выше и т. п.

Автор еще раз подчеркивает, что в данной статье физическая природа хрупкого разрушения была рассмотрена весьма неполно.

Итак, следует сказать, что имеются значительные успехи в понимании природы хрупкого разрушения.

Однако не следует обольщаться. Эта область знания развива­ ется относительно медленно. Если взятьотрезок времени около 20 лет, то в ряде других областей за этот период произошли ко­ лоссальные изменения: была открыта атомная энергия, стало возможным построение спутников Земли, открыты полупровод­ ники и сделано много других открытий, о которых прежде даже не мечтали. Что касается проблемы механических свойств, и в частности хрупкости, то результаты значительно ск омнее. Мно­ гие давно поставленные фундаментальные вопросы, такие как при­ рода плоскостей спайности, сущность поверхностных воздействий, влияние малых примесей на хрупкое разрушение и многие другие по-прежнему остаются без ответа. Вместе с тем наука о крис­ таллах открывает новые перспективы, в частности, в данное вре­ мя на повестку дня ставится вопрос о создании материалов совер­ шенной структуры с теоретической прочностью, которые должны обладать особыми свойствами.

схемы, учитывающей роль нормальных и касательных напряжений в процессе хрупкого разрушения, было впервые показано, каким образом вид напряженного состояния может влиять на сопротивление сколу. На рис. 3 изображена схема Давиденкова. Она требует, чтобы к моменту разрушения соотношение между нормальными и касательными напряжениями достигло опреде­ ленной величины. Именно, чтобы произошло хрупкое разруше­ ние, в материале должна образоваться трещина, а для этого ка­ сательное напряжение должно достичь некоторого «порогового» значения тк. Однако выполнение одного этого требования не­ достаточно. Чтобы хрупкое разрушение действительно произош­ ло, нормальное напряжение, действующее в образце, должно пре­

выполняются в точке т 4, а для кручения (а2)— в точке т 2. Это приведет к тому, что сопротивление сколу при кручении окажет­ ся ниже такового при изгибе, т. е. будет зависеть от напряжен­ ного состояния.

Б. В л и я н и е в и д а н а п р я ж е н н о г о с о с т о я ­ н и я н а к р и т и ч е с к у ю т е м п е р а т у р у х л а д ­ н о л о м к о с т и . В известных опытах Люрсена и Грина, а так­ же в работе 110] было показано, что критическая температура хладноломкости зависит от вида напряженного состояния. В