книги / Хрупкость металлов при низких температурах
..pdfХарактерно, что критическая температура хрупкости, соот ветствующая области резкого падения Gc на рис. 158, несколько выше, чем температура хрупкости, найденная на основе графиков, данных на рис. 153. Кроме того, в температурной области пере хода к хрупкому разрушению характеристика Gc не обнаружи вает чувствительности к скорости деформации. Этот вывод, од нако, нельзя признать общим, так как кривые, приведенные на рис. 158, соответствуют скоростям, отличающимся немногим
более |
одного порядка (для скорости К\ — 55 МН/(м*/* ■ с) |
за |
|
писать кривую нагрузка — раскрытие трещины не |
представи |
||
лось |
возможным). |
|
|
|
2. Акустическая эмиссия |
|
|
|
при разрушении образцов |
|
|
|
с трещинами |
|
|
|
Некоторые дополнительные |
сведения |
о |
процессе разрушения образцов с трещинами при активном нагру жении дают измерения АЭ [110]. Для исследования использо вались образцы из технического железа с центральной симмет ричной трещиной при растяжении и идентичные описанным в предыдущем параграфе (см. рис. 152— 158). Аналогично резуль татам, полученным на гладких образцах и показывающим рост параметров АЭ в области зуба и площадки текучести, при испытаниях на растяжение образ цов с трещинами резкий всплеск
интенсивности N и амплитуды А акустических сигналов наблю дался в начале развития зоны пластических деформаций в вер шине трещины (рис. 159). Изме нение во времени интенсивности и амплитуды сигналов АЭ имеет характер кривой с резко выра женным максимумом. Послед ний приходится на нагрузки, при которых появляются первые остаточные пластические дефор мации, чему соответствует пере лом на кривых раскрытие бере гов трещины — время испыта ния. Из рисунка видно, что сни жение скорости нагружения приводит к уменьшению пико вых значений интенсивности и амплитуды сигналов АЭ (при скоростях нагружения 0,81;
0,06; 0,014 МН/(м% . с) пара
Рис. 159. Измеяеиия интенсивности
N и амплитуды А сигналов АЭ, а так же смещения берегов трещины А во времени при разных скоростях на
гружения K j, |
МН/(м3/‘ ■ с): |
1— 5ii 2 — 5,It |
3— 0,81, Температура, |
К: о — 293; б,— 148.
амплитуду |
(штриховые |
кривые) |
метры сигналов |
АЭ ниже порога |
сигналов АЭ в образцах с трещи- |
дискриминации |
» |
||
по&ш |
у 4 |
^ |
регистрирующей |
|
аппаратуры, поэтому осциллограм мы для этих скоростей записать не удалось). Наблюдалась также общая закономерность, заключавшаяся в том, что параметры АЭ ослабевают со снижением температуры (исследования гладких образцов показали противоположный характер в л и я н и я темпера туры на сигналы АЭ).
График, обобщающий полученные результаты по влиянию температуры и скорости нагружения на высоту пика парамет ров АЭ N и А, приведен на рис. 160, размеры критической пласти ческой зоны в зависимости от температуры и скорости нагруже ния — на рис. 161. Приведенные результаты согласуются с пред ставлениями, высказанными в работах [238, 284], в соответствии с которыми основным источником регистрируемых сигналов АЭ в образцах, содержащих макроскопическую трещину, является пластически деформированный объем в ее вершине. Как видно из рис. 161, величина пластической зоны в момент разрушения уменьшается с понижением температуры. Поскольку пики сигна лов АЭ (см. рис. 160) относятся к началу развития пластической зоны, а на рис. 161 показаны размеры зоны в момент разрушения, результатов, приведенных на рис. 161, недостаточно для объяс нения температурной зависимости сигналов АЭ. Поэтому необ ходимо также сослаться на замеченные и описанные в парагра фе 1 настоящей главы особенности развития зоны пластических деформаций в вершине трещины (см., например, рис. 138 и 139). Рост параметров АЭ с увеличением скорости нагружения объяс няется статистическими закономерностями развития АЭ и особенно стями ее регистрации: так как плотность отдельных сигналов АЭ очень высока, регистрируются отдельные всплески сигналов, являющихся суммой других, более мелких, но частых сигналов,
не различаемых аппаратурой. С увеличением скорости нагруже ния часть таких всплесков переходит в разряд различимых, отчего средняя амплитуда регистрируемых сигналов возрастает. Интенсивность сигналов с ростом скорости нагружения повыша ется в результате интенсификации процессов пластического те чения во времени.
Таким образом, основной источник регистрируемых сигналов АЭ — локальная пластическая деформация в вершине трещины. Изменение температуры испытаний и скорости нагружения при водит к изменению характера сигналов АЭ, согласующемуся с влиянием температуры и скорости на развитие пластической зоны в вершине.
3. Фрактографпческие особенности разрушения
Физический анализ определенного вида разрушения сводится к установлению атомного механизма этого процесса, изучение которого относится к ключевым вопросам те ории разрушения.
Многообещающим и уже внесшим вклад в эту проблему явля ется метод фрактографии. Поверхности излома материала пред ставляют как бы фотографию событий, происходивших в мате риале при разрушении, и на них содеряштся исключительно богатая информация о процессах, происходивших в вершине трещи ны на различных этапах ее развития. К сожалению, расшифровка этой информации связана с большими трудностями, вызванными сложностью рельефа поверхности разрушения, однако уже сей час можно констатировать, что метод фрактографии (особенно микрофрактографии с помощью просвечивающих и сканиру ющих электронных микроскопов) позволил выяснить многие ’де тали процесса развития трещин.
К таким деталям следует отнести прежде всего весьма важные приметы скола: ручейковые узоры, позволяющие установить мес тоположение очага микроразрушения и локальное направление развития микротрещины; детали взаимодействия трещины с препятствиями. До последнего времени фрактографпя (особенно микрофрактография) давала качественную картину разрушения, однако в настоящее время появляется все больше публикаций, содержащих количественную характеристику процесса разруше ния [12, 13, 261, 262, 264]. Несомненно, что дальнейшее развитие фрактографии будет связано с успехами определения количест венных характеристик поверхности излома. Трудно надеяться, что они будут характеристиками уровня напряжений при разру шении (это весьма сложная задача). Однако уже сейчас можно ставить вопрос о количественных характеристиках процесса раз
рушения |
с геометрической стороны! о направлении разрушения |
в каждой |
точке поверхности излома; о плотности очагов лшкро- |
как |
с уменьшением толщины доля волокнистого излома |
(ямки |
на |
поверхности разрушения) увеличивается (рис. 52). |
В по |
следнем случае излом почти всегда формируется путем образова ния и последующего слияния большого количества микропор. Примечательно, что с величиной критических параметров разрушения К с и 6С коррелирует не плотность ямок на поверхно сти разрушения, а скорее их глубина и высота обрамляющих разорванных перемычек, относительная деформация которых в момент разделения материала на части может достигать сотен процентов [427].
Круглые надрезанные образцы в зависимости от содержания
углерода и термообработки могут показывать |
четыре |
различ |
|||
ных по характеру типа |
разрушения: по границам зерен,, вязкое |
||||
с образованием |
ямок небольшого размера, |
вязкое с |
образо |
||
ванием ямок большого размера и квазискол |
[13]. Размер ямок |
||||
уменьшается с |
ростом |
содержания углерода. |
Многие |
детали |
|
механизма зарождения и роста пор при вязком разрушении, вызывающем образование ямок, еще не выяснены, хотя можно с уверенностью указать на определяющую роль наличия в объеме материала внутренних свободных поверхностей, или поверхно стей раздела: дефекты литья, включения, границы зерен и ячеек, а также образующиеся в процессе пластического течения микро трещины.
Характер распространения трещины при хрупком разруше нии малоуглеродистой стали (примерно 0,05 % С) и стали феррит но-перлитного класса 15Г2АФДпс изучался методом количествен ной фрактографии [108]. Исследовались поверхности изломов стандартных образцов, используемых для определения ударной вязкости при изгибе и испытанных при температуре 78 К, кото рая существенно ниже температуры хладноломкости обеих ста лей. Основная цель работы — сравнение известного для каждо го образца направления магистральной трещины с локальны ми направлениями распространения трещины на поверхности излома, определяемыми по положению ручейков на фасетках скола.
На рис. 163 приведены основные результаты, представленные в виде зависимостей от ориентации частоты п повторений направ лений ручейков, расположенных в соответствующем интервале углов. Направлению движения магистральной трещины соответ ствует угол а = 0 (360°) (на гистограммах указаны направления проекций ручейков скола на плоскость трещины, тогда как в действительности ручейки скола ориентированы по всем возмож ным пространственным направлениям).
Для более чистого материала, каким является малоуглеро дистая сталь (см. рис. 163, а), корреляция между направле ниями распространения магистральной трещины и локального разрушения отсутствует. Поскольку наблюдавшиеся ручейки скола обычно исходили от границ зерен (очаги разрушения, как
Рис. 163. Гистограммы распределения ручейков скола по ориентациям:
о — малоуглеродистая сталь; б — сталь 15Г2АФДпс.
правило, располагались у границ зерен), этот результат может служить доказательством равенства рс = à. По этой же причине для рс > d должно было бы наблюдаться, по-видимому, преиму щественное группирование направлений ручейков скола в области углов а = 180°, а для рс < d — преимущественно в области углов а = 0 (360°). Для стали 15Г2АФДпс (см. рис. 163, б), структура которой характеризуется наличием цементитных вы делений внутри зерен, наблюдается последний случай. Кроме того, анализ гистограмм показывает, что в обоих материалах процент ручейков, направленных против движения магистраль ной трещины, достаточно высок. Это является экспериментальным подтверждением действия такого микромеханизма хрупкого раз рушения, при котором происходит слияние магистральной тре щины с движущейся ей навстречу субмикротрещиной. Такой ме ханизм развития трещины, очевидно, более общий по сравнению с известным механизмом непрерывного продвижения магистраль ной трещины вследствие эстафетного разрыва атомных связей в ее вершине (только при рс, равном межатомному расстоянию, эти механизмы идентичны).
Представляют интерес также результаты количественного фрактографического исследования поверхностей вязкого разруше ния, проведенные на образцах, результаты испытания которых описаны в параграфах 1 и 2 настоящей главы. Изучалось влияние
$,MW
Рис. 164. Температурные зависимо сти среднего диаметра D и ширины F (по горизонтали стереопары) ямок вязкого разрушения для разных ско
ростей нагружения К^, MH/(M3/,J •с):
а — 51,2; б — 0,06; 1 — в середине изло ма; 2 — по краю излома.
„ |
, |
Рис. 166. Связь между критическим |
условии испытания на конфигу- |
раскрытием трещины и средним диа |
|
рацию |
и размеры ямок на по- |
метром ямок вязкого разрушения при |
верхности вязкого разрушеиия. Первым такие ямки при вязком разрушении наблюдал Крюссар [276] и объяснил их появление
ростом микропор вокруг частиц второй фазы перед движущейся вер шиной трещины (впоследствии этот механизм неоднократно под тверждался на коммерческих металлах). Затем Бичем [251], Пеллу и Макмиллан [414] постулировали различные механизмы слия ния микропор, основанные на результатах электронной фрактографии. Фрактографическпе особенности вязкого разрушения обсуж дались также в публикациях [12, 62, 65]. В частности, авторы работы [12] показали, что в некоторых материалах с повышением температуры испытания глубина и протяженность ямок возраста ют. Следует отметить, что в указанных работах практически не
рассматривалось влияние скорости нагружения на размеры ямок,
а температурные |
интервалы |
исследования были |
узкими. |
Для 'анализа |
поверхности |
вязкого разрушения использовал |
|
ся метбд количественной стереофрактографии, |
позволивший, в |
||
частности, определить глубину ямок (или высоту окаймляющих их гребешков) *. Съемки проводились как вдоль срединной относи тельно толщины листа линии, так и вблизи боковой поверхности образца.
На рис. 164 показаны температурные зависимости статисти чески среднего диаметра ямки D для двух скоростей нагруже
ния. |
По |
виду |
они аналогичны зависимостям K Q = / (Т) (см. |
|
рис. 153) |
и ôc = |
/ (Т) |
(см. рис. 45), причем максимумы D прихо |
|
дятся |
на |
одни |
и те |
же температуры. Измерения температурных |
зависимостей глубины ямок не дали одинаковых результатов.
При скорости нагружения K i = 0,06 МН (м3/* • с) (рис. 165) среднее значение глубины ямок оказалось независимым от температуры, ■однако разброс значений глубины ямок был существенным. Средний диаметр ямок в пределах разброса экспериментальных данных оказался пропорциональным критическому раскрытию трещины (рис. 166), но величина последнего более чем на порядок превышала средний диаметр. Однозначной корреляции глубины ямок с вязкостью разрушения не обнаружено.
4. Условия начала нестабильности трещины
Полученные в параграфе 6 главы второй соотношения дляскоростидеформации на контуре пластической зоны позволяют рассмотреть физические условия текучести материала в окрестности вершины трещины. Для материала с выраженным преде
лом текучести в силу непрерывности на контуре пластической зоны
• ft
компонентов тензора деформаций справедливо условие уе — упл,
гдеупл — скорость пластического сдвига вблизи контура, описыва емая формулой (2. 64) или (2. 69). Поскольку на практике скорость приложения нагрузки к образцу с трещиной может изменяться в широких пределах, скорость деформации на контуре пластиче ской зоны (формула (2.64) или (2.69)) может находиться в весьма широком интервале, охватывая области как термически активи руемого, так и надбарьерного движения дислокаций. Поэтому при описании поведения образца с трещиной в широком диапазоне ско ростей нагружения может возникнуть необходимость использо вания двух выражений для скорости дислокаций, соответству ющих двум механизмам торможения. Избежать такие неудобства можно с помощью какой-либо эмпирической формулы для скорости дислокаций, хорошо аппроксимирующей экспериментальные ре зультаты во всем диапазоне скоростей дислокаций. В то же время
* Результаты получены Г. Н. Надеждиным.
в области скоростей нагружения с заведомо известным механизмом торможения дислокаций те же эффекты можно рассмотреть с по мощью физических параметров и соотношений, описывающих под вижность дислокаций.
Объединение выражений (2.64), (2.73) и (3.9) дает условие начала нестабильности трещины [418], аналогичное уравнению (2.84),
1+П
2(1 — 2v) - + |
т г - = ФbNTv {а,), |
(5.17) |
связывающее величину критического коэффициента интенсивности напряжений K je с температурой, структурой материала и условиями нагружения. В этом уравнении N T — плотность подвижных дис локаций на пределе текучести. Аналогичные соотношения можно построить на основе асимптотического решения упруго-пластиче ской задачи [218, 435Î, как это сделано в работе [114]. Из сравне ния выражений (2.69) и (3.59) следует равенство
А Н ' hT
Ÿo
1 |
|
(5.18) |
|
(1 + п) G |
к 1с • |
||
|
Сравнив соотношения (5.18) и (2.76), получим
А Н ' |
— *+П |
|
||
о |
|
2п |
Kl. (5.19) |
|
(1 + |
п ) G |
|||
|
||||
Решение этого уравнения относительно сгт при известных величи нах, смысл и значения которых указывались в главах второй и третьей, дает действительное значение предела текучести на кон туре пластической зоны.
Уравнения (2.76) и (5.19) представляют собой систему, реше ние которой дает возможность определить температурно-скорост ную зависимость вязкости разрушения K jc. Из этих выражений, как и из (2.73), следуют частные случаи: при п — 0,25 получаем форму лу (4.67), а при п — 0,2 — формулу (4.69). Описать температур но-скоростную зависимость вязкости разрушения можно также на основе теории линий скольжения. Достоинством этой теории по сравнению с асимптотическим решением является то, что при ее использовании предположение об идеальной остроте вершины тре щины необязательно. В случае идеально острой исходной трещины в выражении (2.79) следует положить радиус закругления верши ны р = р0, где р0 определяется соотношениями (2.80) и (2.81). Тогда из выражения (2.79) следует
Кle —От ехр |
(5.20) |
Из соотношений (5.20) и (5.18) аналогично выражению (5.19) получаем
(5.21)
В этом случае систему уравнений (5.20) и (5.21) также можно ис пользовать для прогнозирования температурно-скоростной зави симости вязкости разрушения К\с. Следует учитывать, что, по скольку при выводе уравнения (5.20) использовался критерий мик
роразрушения в виде (4.45), а не (4.45а), как это |
имело место при |
||
выводе выражений (2.76) |
и (5.19), |
в уравнениях |
(5.20) и (5.21) |
фигурирует величина р0, |
а не рс. |
Корректность |
применения той |
или иной системы уравнений для прогнозирования температурно скоростной зависимости вязкости разрушения К\с зависит от того, в какой мере свойства исследуемого материала отвечают исходным предпосылкам, используемым при их выводе.
Представленные в главах третьей (параграф 5) и пятой (параг раф 1) результаты экспериментов по деформированию и разруше нию образцов из малоуглеродистой стали позволили (хотя и доста точно ограниченно из-за узкого интервала температур (77 — 123 К ), в котором разрушения были хрупкими) сопоставить расчеты по уравнениям (2.76), (5.19) и (5.20), (5.21). Сравнение радиуса кри тической пластической зоны с толщиной образца показывает, что условия плоской деформации по критерию (2.16) при р = 0,4 дос тигались лишь при температурах 77 и 98 К . Температурные зави симости характеристик упругости в расчетах не учитывались, так как в анализируемой области температур они изменяются незна чительно. Следует учитывать, что кривые напряжение — деформа ция исследованного материала имели большой зуб и площадку те кучести, поэтому на начальных стадиях деформации поведение материала близко к идеально пластическому.
Численные решения систем уравнений (2.76), (5.19) и (5.20), (5.21) проводились для сгс, равных 800, 850,1050,1150 и 1250 МН/м2. При этом найденные значения рс составляли: для ос = 850 МН/м2 рс — (0,029 Кг) мм; для ос — 1050 МН/м2 рс = (0,0039 Кг) мм; для
Ос = |
1250 МН/м2 рс = |
(0,00077 Кг) мм. В работах |
[438, 495] для |
малоуглеродистой стали получены значения ас, |
равные 850 и |
||
830 МН/м2. При ос = |
850 МН/м2 результаты работы [114] пока |
||
зали, |
что для малых |
значений п расчет дает завышенную ско |
|
ростную зависимость К\с (то же можно сказать и о других зна чениях ос).
Анализ по теории линий скольжения (уравнения (5.20) и (5.21)) для температур 77 и 98 К, когда соблюдаются условия плоской де формации и п < 0,1, хорошо согласуется с экспериментальными данными. Связь между K ic и пределом текучести соответственно этим расчетам'показана на рис. 167. В отличие от расчетов по урав-