книги / Разрушение твердых тел

мера зерна, то а/ связано с размером зерна уравнением

°/ = ао + к Г ч\

где k — постоянная.

Тогда хрупкое разрушение будет происходить лишь в том

Для вывода этого условия исходили только из энергии, но хотя детали процесса разрушения и не принимались во внима­ ние, следует отметить, что это условие предполагает достиже­ ние тем или иным способом напряжения, достаточного для отде­ ления одних атомов от других.

Из уравнения (3) можно дать общую оценку факторов, спо­ собствующих возникновению хрупкого разрушения.

1. Хрупкому разрушению способствует повышение разру­ шающего напряжения. Это связано главным образом с членом о>о> учитывающим «силы трения» решетки в выражении для а/ *. Поскольку зарождение трещины является дислокационным процессом, оно может начаться лишь когда приложено напря­ жение, равное ао, и станет возможным движение дислокаций; таким образом ао всегда является первой составной частью а/. Этот важнейший член в выражении (а/ — ао) является со­ противлением самой решетки движению дислокации. Величи­ на ао резко возрастает при переходе от металла к твердым телам с направленными связями, и это объясняет высокую при­ родную твердость и хрупкость большинства керамических соеди­ нений. Даже у металлов, в частности, у металлов с решеткой

о.ц. к. наблюдается резкая зависимость ао от температуры. Таким образом, член ао вводит температурную зависимость

вуравнение (3) и результатом этого является хорошо известная переходная температура. Переход к хрупкому разрушению с по­ нижением температуры связан с повышением ао до таких вели­ чин, что выполняются условия уравнения (3). Вопрос о том, является ли ао истинным сопротивлением решетки (напряжени­ ем Пайерлса—Набарро) или определяется противодействием оставшихся примесей, служит в настоящее время предметом оживленной дискуссии, причем перевес склоняется, может быть,

всторону того, что ао выражает истинное сопротивление решет­ ки. Наряду с температурной зависимостью ао имеется зависи­ мость ао от скорости деформации, а следовательно, и зависи­ мость от нее переходной температуры.

Ряд других металлургических факторов также оказывает

значительное влияние на аоЛегирующие элементы или приме­ си — либо в виде дисперсных выделений, либо в растворенном

См. уравнение (2).

дом растворе. Другими факторами, повышающими сто, являют­ ся закалка и деформационное старение, которые имеют поэтому важное практическое значение. Особенно большое влияние ока­ зывают радиационные повреждения; например, Чёрчмен с со­ трудниками [4] наблюдали в стали возрастание а0 на 171,5 Мн/м2

для повышения хрупкости в результате роста разрушающего напряжения, является хорошо известное воздействие трехосного растяжения, которое может увеличить до трех раз осевое растя­ гивающее напряжение, необходимое для начала текучести и по­ следующего течения. Влияние надреза, который может поднять у стали температуру хрупко-вязкого перехода от температуры жидкого азота до комнатной, следует связывать с комбиниро­ ванным действием трехосного растяжения и скорости деформа­ ции, повышающих а0 вследствие малого деформирующегося объ­ ема в области надреза.

2. В другой части уравнения (3) важнейшими факторами являются у и I. Эффективная поверхностная энергия у включа­ ет любую работу пластической деформации, которая происходит при росте трещины. Очевидно, что пластическая деформация

ирост трещин являются конкурирующими процессами при сня­ тии концентрации напряжений. Если пластическая деформация протекает достаточно легко, образование трещин подавляется. Если же трещина появилась, то росту трещины будут препятст­ вовать высокие значения у, которые являются результатом пла­ стической деформации, связанной с трещиной. Важны два фак-] тора:х)Число благоприятно ориентированных систем скольжения\

иналичие в них подвижных дислокаций. Для подавления разви­ тия трещины сам факт пластической деформации еще не доста­ точен; деформация должна быть определенного типа. Так, акко­ модация деформации в тех местах, где полосы скольжения встречаются с границами, требует деформации по нескольким системам скольжения, если напряжение должно снизиться и между зернами не должно быть разрывов.

Недавняя работа по ионным кристаллам является хорошей

иллюстрацией того, как возрастание числа систем скольжения может привести к полному подавлению хрупкости1. В ионных кристаллах со структурой типа каменной соли скольжение при низких температурах ограничивается направлением [110] по пло-

1 По данным Стокса.

скости {ПО}. При высоких температурах направлением сколь­ жения по-прежнему остается [ПО], но скольжение в этом случае может происходить по любой плоскости, для которой это на­ правление является осью зоны, и потому оно имеет волнистый характер. Разрушение поликристаллов при низких температурах является полностью хрупким. Однако в условиях, когда проис­

быть снята вследствие многократных разветвлений полос сколь­ жения при их приближении к границам и в результате скольже­ ния в зерне, расположенном по другую сторону от границы. Это совпадает с переходом к вязкому разрушению типа конус — ча­ шечка.

Другим примером хрупкости в результате малого числа си­ стем скольжения являются металлы с гексагональной решеткой. При высоких температурах действие призматического скольже­

пользуясь которым можно изменить температуру начала дейст­ вия призматических плоскостей и это оказывает влияние на пла­ стичность металла; примером является легирование литием магния [6].

Другой эффект, вызываемый недостаточным числом систем скольжения, достаточно хорошо иллюстрирует уравнение (3). Здесь, чтобы установить зависимость между приложенным ра­ стягивающим и касательным напряжениями, действующими по полосам скольжения, введен коэффициент 2. Строго говоря, дол­ жен быть введен ориентационный коэффициент т (по Тэйлору). Недостаточное число систем скольжения ведет к повышению растягивающего напряжения, необходимого для создания кри­ тического касательного напряжения для скольжения в поликри­

Хрупкость металлов с решеткой о. ц. к. является ярким при­ мером, показывающим, что даже при достаточном числе систем скольжения блокирование дислокаций, препятствующих снятию концентрации напряжений, благодаря пластической деформа­ ции, приводит к низким значениям у, которая связана с ростом трещин. В материалах с ионной и ковалентной связью при недо­ статочном числе подвижных дислокаций также возникает хруп­ кость из-за снижения у.

Эта проблема пластической деформации при росте трещины обсуждалась Гилменом [7] и Фриделем [8], дальнейшие ее дета­ ли рассмотрены в статье Тетелмена.

202

3. Размер зерна / влияет на хрупкость двумя противополож­ ными путями. Прежде всего, малые размеры зерен увеличивают

нако при этом также уменьшается размер начальных дислока­ ционных трещин, что способствует повышению вязкости.

Как можно видеть из уравнения (3) второй эффект значи­ тельнее, чем первый. На рис. 2 показано влияние размера зерна на температуру перехода из хрупкого состояния в вязкое для мягкой стали. До сих пор не выяснено полностью, когда влия-

Рис. 2. Зависимость температуры хрупкого пере­

хода от величины зерна для малоуглеродистой стали

ние размеров зерен может быть заменено влиянием размеров субзерен в качестве фактора, определяющего разрушение.

Можно считать сейчас, что уравнение (3) достаточно при­ емлемо для описания в общих чертах тех моментов, которые существенны (в атомном масштабе) для хрупкого разрушения. Если рассматривать более тонкие детали действующих процес­

сов, картина перестанет быть столь ясной.

Зарождение трещин

До сих пор было предложено пять основных механизмов за-

2. Трещины образуютсяблагодаря слиянию дислокаций, дви­ жущихся в пересекающихся плоскостях скольжения. Как перво­ начально предположил Коттрелл, для a -железа дислокация в плоскости скола образуется по следующей реакции:

{а12) [IГ1 ] + (а/2) [111 ] -* а [001 ].

Эта дислокация превращается в трещину по мере дальней­ шего подхода к ней новых скользящих дислокаций.

Баланс энергии в этом процессе не настолько благоприятен, как предполагалось первоначально, а дислокация а [001] долж­ на быть тем или иным способом зафиксирована, чтобы превра­ титься в достаточно устойчивое препятствие, способное сопро-

6

Рис. 3. Образование перегибов при пересечении полос скольжения (а) и расщепления по плоско­ сти скольжения (б)

тивляться напряжению, необходимому для подхода последую­ щих дислокаций [10].

3.Трещины образуются в местах пересечения двойников ([11], а также данные Ху).

4.Трещины образуются в результате превращения полос скольжения в полосы сброса в местах пересечения полос сколь­ жения (рис. 3). Аргон и Орован [13], которые предложили этот механизм, связывают образование трещин скорее с развитием макроскопических напряжений, а не с прямым взаимодействием дислокаций.

5.Трещины образуются в результате расщепления по пло­ скостям скольжения вследствие прерывного смещения их в ме­ стах пересечения границ наклона полосами скольжения (рис. 3). Этот механизм был предложен Орованом [14] и в дальнейшем развит Фриделем [15], Стро [16] и Гилменом [17]. Такие границы наклона наблюдаются, в частности, в металлах, имеющих лишь одну плоскость скольжения.

В поликристаллах наблюдаются трудности взаимной акко­ модации деформации в зернах, в которых имеется только одна плоскость скольжения.

204

скольжении в ионных кристаллах, но масштаб изменений в дан­ ном случае меньше. Однако ионные кристаллы дают и в этом случае соответствующие примеры. Так, каменная соль и окись магния деформируются при комнатной температуре прямоли­ нейным скольжением; поликристаллическая каменная соль об­ ладает некоторой пластичностью, а окись магния разрушается совершенно хрупко. При этом в каменной соли поперечное сколь­ жение происходит значительно легче.

Водородная хрупкость

До сих пор мы рассматривали возможность развития дисло­ кационной трещины как трещины сколом под действием прило­ женного извне растягивающего напряжения, однако такое же развитие может быть и под действием внутреннего давления. Действительно, один из классических расчетов трещины Гриф­ фитса исходит как раз из такого вида нагружения [21]. Та­ кое нагружение может быть реализовано при водородной хруп­ кости.

Первоначально было принято представление о том, что дав­ ление развивается в результате выделения водорода в пустотах

на теории дислокаций, было сделано предположение о том, что критической стадией скола является зарождение трещины, ко­ торая в дальнейшем будет распространяться.

Наибольшее напряжение при этом необходимо для слияния первых дислокаций, а соответствующая поверхностная энергия имеет двоякое значение. На этой стадии развития теории во­ дородной хрупкости один из авторов настоящей работы выска­ зал предположение, что водородная хрупкость возникает из-за адсорбции водорода на поверхности трещины, как только она образуется; в этом случае поверхностная энергия должна пони­ зиться примерно на 75%, а касательное напряжение, необходи­ мое для слияния дислокаций, соответствено снижается при­ мерно на половину [22].

Однако, если признать, что для скола должен быть выполнен критерий развития трещины, это означает, что любое давление водорода в дислокационной трещине будет облегчать скол. В последнее время анализ водородной хрупкости на основе этих представлений выполнили Гарофало с сотрудниками [23], а так­ же Билби и Хьюитт [24], которые сделали очень большой вклад

206

рушение IB этом случае с механической точки арения является аналогичным сколу, но проходит по границам зерен из-за сниже­ ния их поверхностной энергии адсорбированной серой.

Интеркристаллитное разрушение также может возникать в результате концентрации деформации в неупрочненных зонах по границам зерен. Это наблюдается, например, в алюминиевых сплавах, когда старение происходит таким образом, что у гра­ ниц зерен образуются области, не содержащие дисперсных вы­ делений.

Разрушение весьма хрупких материалов

Разрушение обычно рассматривают как результат предвари­ тельного существования трещины Гриффитса, однако, даже и в этом случае имеются признаки, позволяющие предполагать, что определенную роль играет пластическая деформация.

щего напряжения. Измерения Конглетона показывают, что раз­ рушающее напряжение пластин из окиси алюминия, в которых имеются отверстия эллиптической формы, просверленные уль­ тразвуковым способом, повышается примерно на 50% в интер­ вале от комнатной температуры до температуры жидкого азота. Прочность на изгиб непросверленных пластин имеет весьма сходную температурную зависимость. Это выходит за пределы того, что можно ожидать только исходя из температурной за­ висимости поверхностной энергии и модуля Юнга, но может быть связано с эффектом задержанного разрушения, снижаю­ щего высокотемпературную прочность. Однако авторы настоя­ щей статьи сомневаются в этом и склонны считать, что темпера­ турная зависимость свойств хрупких материалов отражает не­ обходимость протекания какого-то дислокационного процесса, который вызывает вытягивание или заострение ранее сущест­ вующих трещин или генерирование на них трещин скола. Это показывает, что дислокационный процесс необходим для начала развития трещины.

В соответствии с этим Конрад, проводивший эксперименты при 1200—1500° С, недавно сообщил, что разрушение монокри­ сталлов начинается в тех местах, где полосы скольжения вышли на поверхность; это напоминает высказывания Орована, предпо­ ложившего в работе 1934 г. [25], что поверхность трещины Гриф­ фитса может расширяться в результате взаимодействия с дисло­ кациями и в соседних плоскостях скольжения. По-видимому, такой же дислокационный механизм увеличения трещины дейст-

208