книги / Разрушение твердых тел

представляет процесс образования внутренней шейки. Таким об­ разом, пустоты, образовавшиеся от отдельных включений, ра­ стут совместно в области шейки образца и образуют трещину, расположенную перпендикулярно оси образца. Этот процесс приводит к образованию хорошо известных ямок на поверхно­ стях изломов вязкого разрушения, наблюдаемых с помощью электронной микроскопии. Каждая ямка соответствует одной из таких пустот. Последующий рост трещины, возникшей описан­ ным выше образом, происходит в полосах сосредоточения (кон­ центрации) пластической деформации, которые идут от ее кон­ цов, располагаясь под углом 30—40° к оси растяжения. Концент­ рация деформации приводит к преимущественному росту пустот в этих полосах, и развитие трещин происходит путем слияния этих пустот. Если трещина переместилась в новое положение, образуются новые полосы деформации и процесс повторяется. В результате трещина развивается зигзагообразно вверх и вниз вдоль одной или другой имеющейся полосы деформации, в сред­ нем сохраняя направление, приблизительно нормальное направ­ лению приложенного растягивающего напряжения.

Окончательное разделение образца по излому типа конус — чашечка, вероятно, совершается в результате непрерывного раз­ вития трещины вдоль одной из полос деформации прямо к внеш­ ней поверхности образца. На этой стадии рост пустот не играет важной роли, возможно, в результате релаксации гидростатиче­ ских напряжений по мере приближения трещины к поверхности (см. ниже). Таким образом, развитие трещины — простой про­ цесс пластического течения металла вокруг ее продвигающейся вершины. Вероятно, адиабатическое деформационное разупроч­ нение по Зинеру приводит к локализации деформации в узких областях интенсивного сдвига, вдоль которых развивается тре­ щина. Это является общей картиной разрушения.

Недавно появилось интересное наблюдение Франклина и Тегарта. При изучении влияния серы (которая встречается преи­ мущественно в виде включений сульфидов) на свойства различ­ ных сталей они нашли, что с понижением содержания серы от 0,02% (крупные включения) до 0,005% (мелкие включения) сужение площади поперечного сечения при обычных испытани­ ях на растяжение возрастает лишь на 3% при ф ~ 60—80%. В противоположность этому отмечалось весьма заметное возра­ стание работы разрушения [( — 50,9 н-м (5,2 кГ-м)] при испыта­ ниях по Шарпи. Таким образом, крупные включения оказывают значительно большее влияние на вязкое разрушение образцов с надрезом при ударных испытаниях, чем при обычных испыта­ ниях на растяжение.

Это является показателем большого	значения	пустот, обра­
зующихся у включений под действием	трехосного	растяжения.
Вероятно, именно поэтому начальная трещина		при испыта­

нии на растяжение образуется в центре сечения образца. Эф­ фект трехосного растяжения может быть выявлен также доста­ точно отчетливо по недавним наблюдениям медленного изгиба надрезанных образцов (Коттрелл и Нотт). Вязкое разрушение происходит в области дна этого надреза. Первые пустоты обра­ зуются вблизи поверхности дна надреза, но те пустоты, которые растут впоследствии, расположены далеко в глубине металла, в тех областях, где развивается трехосное растяжение. В экспе­ риментах Бриджмена наблюдался обратный эффект: наложение гидростатического сжатия подавляет зарождение разрушения..

Рис. 6. Напряжения течения (а)		и напряжения в об­
ласти полости		(б):
1 — одноосное растяжение; 2 —	гидростатическое сжатие;
3 — гидростатическое	растяжение

Описанное влияние системы напряжений можно проследить по рис. 6, который показывает, каким образом осевое напряже­ ние течения будет изменяться в результате наложения гидроста­ тического растяжения или сжатия. Представим себе область, деформируемую трехосным растяжением до напряжения Л; пусть затем образуется внутренняя полость (см. рис. 6, б). Вблизи поверхности полости напряжение, действующее вдоль Х3, будет релаксировать так, что в плоскости Х\Х3 осевое напря­ жение течения будет падать от Л к Б, несмотря на то что напря­ жение, создаваемое в матрице, сохраняется на уровне точки Л. Тогда в области полости должна развиваться локализованная пластическая деформация, в результате чего эта полость будет расти. В противоположность этому, если приложенное напряже­ ние является простым одноосным и действует вдоль оси Х\, ре­ лаксации напряжений у поверхности полости не будет. При на­ ложении гидростатического сжатия релаксация поперечных на­ пряжений, действующих на поверхность 'полости, должна сдер­ живать пластическую деформацию в этой области.

Какой же критерий вязкого разрушения следует из описан­ ного механизма роста полости? Этим критическим условием должна быть просто достаточная величина локальной пласти­ ческой деформации для слияния полостей, развившихся у вклю­ чений, в большую трещину.

Одним из следствий этого критерия является то, что суже­ ние площади поперечного сечения при обычном испытании на растяжение должно быть совершенно не зависящим от темпера­ туры, несмотря на значительную температурную зависимость ’напряжения течения. Это и наблюдается в действительности. Даже если система напряжений изменяется,— например, от од­ ноосной к трехосной, так что общая деформация к моменту раз­ рушения изменяется в весьма широких пределах,— то тем не менее локальная деформация на поверхности разрушения, не­ обходимая для слияния полостей, остается той же. Недавно про­ веденные измерения микротвердости поверхности вязкого раз­ рушения при испытании стали на растяжение и на изгиб (с над­ резом) показали, что она одинакова 1.

Было бы весьма удивительным, если бы все детали вязкого разрушения полностью совпадали с этой картиной пластического роста полостей, возникающих у включений. Это совпадение, повидимому, является наилучшим для мягких непластичных ме­ таллов. У более твердых материалов картина может быть более осложненной. Так, Паттик [29] наблюдал в стали зарождение пу­ стот у включений, но часть из них соединялась в результате дей­ ствительного развития трещин. Франклин и Тегарт на поверхно­ сти разрушения сталей с низким содержанием серы также наблюдали мелкие ямки, которые, как представляется, не связа­ ны с включениями.

Биверс и Хоникомб [32] детально исследовали монокристал­ лы сплава Си с 5% А1. На поверхности разрушения были обна­ ружены ямки, но разрушение происходило вдоль плоскости скольжения, по которой действовало критическое приведенное касательное напряжение, притом ранее образования какой-либо шейки. Такое поведение более твердых металлов, вероятно, ука­ зывает на то, что вязкое разрушение в них не является исклю­ чительно пластическим процессом и что здесь играет роль дис­ локационный процесс развития трещин. Это в известной мере возвращает теорию к более ранним предположениям о том, что вязкое разрушение является следствием слияния дислокацион­ ных трещин, которые не могут участвовать в разрушении как трещины скола [33, 34].

Наконец, следует упомянуть вязкое разрушение мягких поликристаллических металлов, не имеющих включений. Как и в мо­ нокристаллах, разрушение в этом случае, вероятно, также яв­

1 По данным А. Коттрелла и Дж. Нотта.

ляется только завершением процесса скольжения, хотя его характер в этих двух случаях различен. В соответствии с рас­ четами Паттика [29], если скорость упрочнения при наклепе, в области значительных деформаций становится малой, дефор­ мация сходна с той, которая соответствует скольжению идеаль­ но пластичного материала согласно макроскопической теории пластичности. Таким образом, скольжение локализуется вдоль плоскостей максимальных касательных напряжений.

ИНТЕРКРИСТАЛЛИТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ

Деформация поликристаллических металлов при высоких температурах может приближенно рассматриваться как вязкое течение по границам зерен, которое ограничивается относитель­ но недеформированной матрицей зерен. Это существенно изме­ няет атомные процессы разрушения.

При таких условиях разрушение локализуется по границам зерен, причем обычно отмечают, что оно может быть двух типов. В первом случае в тройных стыках зерен образуются клиновые трещины, распространяющиеся затем по границам зерен. Раз­ рушение этого типа обычно происходит при сравнительно высо­ ких напряжениях. При более низких напряжениях по границам зерен, особенно тем, которые перпендикулярны оси растяжения, развивается множество округлых пустот.

Втройном стыке межзеренное проскальзывание блокируется

ирелаксация касательных напряжений, вызванная проскальзы­ ванием, ведет к повышению концентрации напряжений в этих стыках и вызывает растрескивание. Этот механизм, впервые

предложенный Зинером [9], приводит, как это легко себе пред­ ставить, к критерию типа Гриффитса для зарождения трещин. Стро [1] вычислил напряжения, необходимые для зарождения трещины у конца проскальзывающей границы длиной L:

а = ( I 2 \iy / n l) 4 * .

Считая, что L определяется диаметром зерна, Мак Лин [35] показал, что поверхностная энергия, рассчитанная с помощью этого выражения по величине наблюдаемых напряжений, необ­ ходимых для зарождения трещин, при использовании является вполне приемлемой. Последняя работа Уивера [36] по влиянию карбидов, выделившихся по границам, на образование интеркристаллитных трещин также согласуется с этим выражением, за исключением того, что L здесь определяется как расстояние между частицами карбида. Зародившись, клиновые трещины могут расти либо в результате дальнейшего межзеренного про­ скальзывания, либо в результате конденсации вакансий. Эксперименты Неми и Ринеса [37] позволяют предположить, что конденсация вакансий вносит определенный вклад в рост тре­ щины.

Менее ясны причины образования округлых пустот по гра­ ницам зерен при низких напряжениях. Ясно, что следует разли­ чать процессы их зарождения и роста. В то же время для зарож­ дения пустот необходимы касательные напряжения, на их рост перпендикулярно границе не будут действовать растягивающие напряжения [38, 39]. Стадия роста пустот в настоящее время изу­ чена достаточно хорошо [40], но стадия зарождения пока остает­

ся неясной.

Существует предположение, что в процессе роста к пустотам притекают вакансии от границ зерен согласно механизму Набар- ро—Херринга. Если граница зерна перпендикулярна оси растя­ жения (а значит образец удлиняется в этом направлении), то согласно балансу энергии этого процесса рост пустот будет про­ исходить при напряжении (а), большем 2у/г, где г — радиус по­ лости, а у — поверхностная энергия. Если нормаль к границе зерна составляет с осью растяжения угол 0, так что образец удлиняется в этом направлении, то необходимое напряжение бу­

дет равно о = 2y/r cos2 0.	Тогда рост	полостей будет происхо­
дить наиболее легко по	границам,	перпендикулярным прило­

женному напряжению, которое в этом случае будет иметь очень малую величину. Типичные значения указанных параметров из­

меняются от а	= 205,8 Мн/м2 (21	кГ/мм2) при г =	0,1 мкм до
а = 20,5 Мн/м2	(2,1 кГ/мм2) при г =	1 мкм.
Вернемся теперь к процессу зарождения пустот.			Первона­

чальное предположение Гринвуда [41] заключалось в том, что поры возникали из скопления вакансий, созданных движением дислокаций при ползучести. Однако в настоящее время такая возможность исключается [40, 42, 43]. Как указал Коттрелл, тот факт, что пустоты возникают почти исключительно по границам зерен, которые сами являются эффективными стоками для ва­ кансий, делает предположение Гринвуда о том, что полости за­ рождаются в результате простого избытка концентрации вакан­ сий, совершенно необоснованным.

В настоящее время обычно придерживаются того взгляда, что зарождение пустот зависит от проскальзывания по границам зерен, причем предложены два механизма зарождения. Джифкинс [44] предположил, что полости раскрываются у уступов гра­ ниц, возникающих в результате внутризеренного скольжения (рис. 7). Другое предположение заключается в том, что полости образуются на частицах включений, имеющихся на границах.

Представляется вполне возможным, что в промышленных сплавах могут быть случаи, когда частицы по границам зерен оказываются главными источниками образования зародыша по­ лости. Имеются также данные, что с повышением чистоты ме­ талла уменьшается образование пустот. Убедительное подтверж дение получено Беттнером и Робертсоном [45], которые показали, что направленная кристаллизация меди снижает общий объем

214

пярГ ппо! ^ 61166’ ЧеМ в ^ Раз* Однако настоящая работа позво- R предположить, что здесь имеет значение другой фактор,

	злагаемои ра®оте показано, что вязкость многих метал-
„	п ЖеТ быть восстановлена, а зарождение	полостей исклю-
	Р“ достаточно высоких температурах,	когда	рост зерен
Р	ает быстро. Так, Райнес и Рей [46] наблюдали заметное
у	чение вязкости латуни и монель-металла при		температу-

рах, соответствующих быстрому росту зерен.

ен и Махлин получили тот же эффект и в меди (47]. Они показали, что медь становится вполне пластичной при нагрева­ нии выше ~700° С в вакууме, в то время как при этом нагреве на воздухе обнаруживается интеркристаллитное разрушение. ати различия в значениях вязкости связаны с быстрым ростом

[ Приложенное Ц

Iнапряжение

АГраница I/ проскальзывания ч

[а]

Рис. 7. Образование пустот при проскальзывании по границе зерна (Джифкинс)

зерен в вакууме и с отсутствием их роста на воздухе. Таким об­ разом, можно представить, что миграция границ зерен может исключить образование полостей. В связи с этим становятся по­ нятными Многие экспериментальные данные. Так, высокая пла­ стичность чистого алюминия может быть отражением хорошо известной Подвижности границ зерен в этом металле.

Это влияние подвижности границ зерен означает, что любая попытка получить доказательства зарождения пустот около ча­ стиц, демонстрируя исчезновение полостей при удалении частиц, встречает то затруднение, что это удаление частиц ведет также к повышению подвижности зерен.

Другой новый вклад в решение проблемы зарождения поло­ стей дает проведенный Гринвудом анализ результатов опытов Беттнера И Робертсона на меди. В этом анализе он показал, что

число зародышей пустот	возрастает приблизительно линейно
с деформацией. Признаки	насыщения числа пустот при росте

деформаДНи обнаружены не были, хотя его и можно было ожи­ дать, исходя из закономерностей зарождения частиц. Это позво­ ляет предположить, что процесс зарождения полостей полностью

зависит от самой деформации.

Таким образом, по-видимому, процесс роста округлых пу­ стот достаточно ясен и следует продолжить работу для выясне­

ния проблемы их зарождения.

Интересный, частный случай зарождения полостей на зубча­ тых границах зерен в сплавах А1 — Mg наблюдали Муллендор и Грант [48]. Зубцы связаны с субграницами и полости возникают по вершинам зубцов.

УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ

Установить различие между зарождением и развитием тре­ щин при усталости становится тем труднее, чем более ранние признаки образования трещин выявляют новые эксперименты. Халл [49] показал образование интрузий в меди после ~ 1 % ожидаемой долговечности образца. Ясно, что долговечность при усталости определяется в основном временем, затрачиваемым на увеличение трещин до катастрофических размеров.

Трещины усталости зарождаются преимущественно у внеш­ ней (свободной) поверхности, хотя и имеется возможность воз­ никновения внутренних трещин в условиях действия высоких циклических напряжений.

Образование поверхностных трещин или интрузий первона­ чально происходит по активным плоскостям скольжения. Среди различных методов, используемых для изучения ранних стадий усталости, особенно успешным при выявлении тонких особенно­ стей процесса оказался метод косых сечений, разработанный Вудом [50].

Кроме выявления интрузий и экструзий, Вуд наблюдал так­ же перемещение блоков1, ведущее к разрушению поверхност­ ных слоев металла. Количественные данные по скорости роста интрузий были опубликованы Эвери с сотрудниками [51]; к это­ му мы еще вернемся при анализе дислокационных моделей интрузий. Исследования Томпсона [52], а также Эбнера и Бакофена [53] выявили некоторые важные особенности развития повреждений поверхности на начальных стадиях усталости мо­ нокристаллов. В работе [53] испытанию на усталость в условиях изгиба подвергали монокристаллы меди. В кристаллах, ориен­ тированных таким образом, что первичное скольжение образо­ вывало ступеньки на поверхности кристалла, испытывающей максимальные растягивающие напряжения, рост интрузий и трещин происходил вдоль этой системы скольжения. Однако, если ориентация кристалла такова, что первичная система скольжения образует ступеньки на поверхности, находящейся под действием растягивающих напряжений небольшой величи­ ны, трещины зарождаются уже на вторичной системе скольже­ ния, а также на поверхности, где действуют максимальные растягивающие напряжения. Долговечность кристаллов второй

1 Имеется в виду взаимное смещение объемов зерна, со всех сторон огра­ ниченных полосами скольжения. Прим. ред.

группы примерно вдвое выше, чем у кристаллов первой группы Проведенные Томпсоном исследования распределения экс?рузий в кристаллах меди снова показали, что экструзии преимущест­ венно образуются в местах выходов краевых дислокаций, обра-

зующих ступеньки скольжения.	dU	’ н
Для объяснения причин образования экструзий	и	интрузий
было предложено много дислокационных механизмов		Коттрелл

и Халл [54] высказали предположение о том, что пара последо­ вательно действующих пересекающихся полос скольжения мо­

жет образовать пару интрузия-экструзия. Альтернативный механизм предложил Мотт [55], связавший образование экст­ рузии и интрузий с поперечным скольжением винтовых дисло­ кации по замкнутому контуру. Несколько позже Томпсон [52] предположил, что при колебании в одной фазе групп дислокаций леса, приложенное напряжение вызывает образование экстру­ зий по активной системе скольжения. Все эти предложенные модели не могут объяснить возникновение экструзий и лишь мо­

дель, предложенная Коттреллом и Халлом, может легко объяс­ нить образование интрузии.

Исследования металла, подвергавшегося испытаниям на усталость, методом электронной микроскопии «на просвет» в тонких пленках расширили наши знания после того момента,

как были выдвинуты описанные выше предположения об обра­ зовании интрузий и экструзий.

Хирш с сотрудниками [56] нашел, что металл, подвергавший­ ся испытанию на усталость, как бы разделен на зоны с большим числом петель дислокаций, чередующиеся с зонами со значи­ тельно сниженной плотностью дислокаций. Микрофотографии Вуда [50] показывают сильно протравленные зоны, которые поч­ ти точно соответствуют зонам с высокой плотностью петель дис­ локаций, видимым в тонких пленках при использовании метода электронной микроскопии «на просвет». Метод косых сечений достаточно четко показывает, что интрузии развиваются в этих областях с высокой плотностью дислокаций. Наконец, Эвери с сотрудниками установил, что значительно больше сотни дис­ локаций должно войти или выйти из кристалла в области ак­ тивного развития интрузии за каждый цикл напряжений. В осо­ бенности эти наблюдения наводят на мысль о том, что наруше­ ния поверхности образуются скорее макроскопическими, чем микроскопическими процессами. Исходя из описанных выше фактов, был предложен следующий механизм роста интрузий.

Наблюдения Вуда и Хирша с сотрудниками показали, что вдоль полос скольжения, возникающих при усталости, имеется высокая плотность призматических петель дислокаций. Это мо­ жет быть либо следствием поперечного скольжения, как предпо­ лагают Джонстон и Гилмен [57], либо следствием бурного раз­ множения или выбросов (mushrooming) дислокаций из плоско-

217

сти скольжения в соответствии с предположением Вильсдорфа и Кульман-Вильсдорф [58]. Представляется весьма вероятным, что эти петли дислокаций возникают от стока вакансий, хотя не­ посредственные подтверждения этого и отсутствуют. Изменения плотности NaCl в процессе усталости, опубликованные Дэвиджем с сотрудниками |[59], указывают на наличие избытка вакан­ сий; Коттрелл [60] и Мотт [26] выдвинули теоретическое обосно­ вание причин образования избытка вакансий. Таким образом, усталостные полосы скольжения являются частично разрушен­ ными областями кристалла.

Представляется правдоподобным, что на поверхности интру­ зии или вблизи ее зарождается большое количество дислокаций

Рис. 8. Рост интрузий в полосе скольжения, возникшей при усталости

и разрушение решетки в этих полосах скольжения должно влиять на этот процесс зарождения. Рассмотрим сперва одну половину цикла напряжения, как это показано слева на рис. 8. Любая зародившаяся краевая дислокация отрицательного знака будет немедленно покидать кристалл. Положительные дислока­ ции должны зарождаться на правой стороне полосы скольжения более легко, чем на левой, так как растянутая часть дислокации притягивается сжатым объемом в полосе скольжения. Таким образом, на этой половине цикла нагружения скольжение долж­ но преобладать в области справа от полосы скольжения. В те­ чение последующей половины цикла наблюдается обратная кар­ тина, как это показано на правой части рис. 8. Зародившиеся у интрузии положительные краевые дислокации немедленно покидают кристалл; отрицательные же дислокации зарождают­ ся преимущественно на левой стороне полосы скольжения и по­ этому здесь преобладает скольжение. Конечным результатом описанного различия в скольжении по обеим сторонам полосы скольжения и изменения в этом различии в процессе цикличе­ ского нагружения (механизм прерывистого скольжения) являет­ ся развитие интрузий. При этом рассматриваются лишь кра-

218

евые дислокации, так как рассматриваемое направление растя­ жения идет вдоль направления вектора Бюргерса. Форсайт демонстрировал структуру, которая, по-видимому, показывает, что скольжение действительно происходит попеременно по обе стороны интрузий, как это было предложено нами. В этой моде­ ли заметный рост интрузии может происходить за каждый цикл нагружения, что и наблюдается в действительности.

В добавление следует отметить, что, как это видно из рис. 8, дислокации, зародившиеся в объеме образца, могут аннигилиро­ вать с дислокациями, зарождающимися у интрузий. Вероятно,

а	в % г	д

Рис. 9. Рост усталостной трещины [63] (от а к д)

это создает условия для поддержания постоянной плотности дис­ локаций и позволяет объяснить явление насыщения деформаци­ онного упрочнения при усталости. Ограниченность этой модели заключается в том, что в соответствии с ней экструзии могут возникать лишь как результат действия близко расположенных интрузий. Однако эта картина находится в соответствии с наб­ людениями экструзий в меди и латуни, проведенными Вудом.

Согласно Форсайту переход ко второй стадии роста усталост­ ной трещины происходит тогда, когда процесс развития трещин становится зависящим скорее от растягивающих, а не от каса­ тельных напряжений. Это может произойти, когда трещина в ис­ ходной плоскости скольжения встретит границу зерен или иную неоднородность. При отсутствии таких крупных неоднородно­ стей этот переход осуществляется, когда трещина проникает от поверхности на критическую глубину. Используя программиро­ ванное циклическое нагружение с чередующимися большими и малыми амплитудами нагружения, удалось с полной достовер­ ностью показать, что трещины продвигаются при каждом цикле нагружения и создают характерные бороздки на поверхности

219