книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

На возможность образования трещин при слиянии раз­ ноименных дислокаций впервые указали независимо друг от друга Фудзита [227] и Кохендорфер. Пусть в какомлибо месте кристалла реализуется случай, показанный на рис. 104. Тогда при расстоянии, равном нескольким меж­ плоскостным расстояниям, возможно образование узкой полости за счет действия больших растягивающих напря­ жений. Очевидно, что такая полость должна обладать критической длиной, выше которой она будет энергети-

-L _L 1 J. -L

Рис. 104. Схемы взаимодействия разноименных дислокаций в парал­ лельных плоскостях скольжения:

а — скопление дислокаций; б — образование полости; в — полость длиной L = nb\ г — смыкание полости с образованием двух дислокаций; д — образо­ вание трещ ины по схеме Фудзита [227 J

чески неустойчивой и должна будет захлопнуться. Энергия полости может быть представлена выражением

где у — поверхностная энергия.

где d — межплоскостное расстояние. Их энергия равна

v — коэффициент Пуассона.

Максимальный размер устойчивой полости может быть определен из условия

(27)

Согласно оценочным расчетам Фудзиты [227) крити­ ческий размер устойчивой полости L = 3*10"° см при h = 10"7 см.

При непрерывной работе источников дислокаций скоп­ ления в параллельных плоскостях скольжения разря­ жаются в образующуюся полость (см. рис. 104). Длина полости будет равна rib, где п — число пар вошедших дис­ локаций с вектором Бюргерса Ь. Фудзита показал, что особого внимания заслуживает случай, когда поступление дислокаций в полость идет с различными скоростями в раз­ ных плоскостях скольжения. Тогда на одном конце по­ лости имеется избыток п' дислокаций и если длина полости была докритических размеров (—10“0 см), то возможно возникновение концентрации напряжений. Заменив, ради упрощения задачи, прямоугольную полость эллипсоидаль­

ной с радиусом кривизны у вершины , Фудзита показал,

что максимальные значения нормальной и тангенциальной составляющих напряженйя могут быть представлены вы­ ражениями [227]

г д е р = Л .

Если избыточное число п' дислокаций таково, что

то атах ^ 0,1is, а ттах 0,К?. Эти значения максималь­ ных напряжений находятся на уровне теоретических зна­

чений прочностных характеристик металлов. Поэтому ус­ ловие

может рассматриваться как граничное условие появления хрупкой трещины в схеме Фудзита—Кохендорфера.

И. А. Одингом [114] был выполнен подробный расчет упругого поля вокруг краевой дислокации с использова-

162

нием известных [80] соотношений для компонент тензора напряжений краевой дислокации:

1350 кГЫм2, что близко к значению теоретической проч­ ности 0,1£ (2000 кПмм2). При плотности дислокаций Ю12 линий1см2(деформированный металл) среднее расстоя­ ние между дислокациями будет порядка 100 А и вероят­ ность сильного взаимодействия на ближних расстояниях будет значительной. В этих условиях удельная энергия упругого взаимодействия в группе сближенных на доста­ точно малое расстояние дислокаций может достигать зна­ чения скрытой теплоты плавления. Для железа близость теплоты плавления к максимальной упругой энергии вза­ имодействия дислокаций подтверждается оценочными ра­ счетами. Одинг считает, что разрушение должно произойти не в местах максимальных нормальных или касательных напряжений, а в тех местах, где максимальна энергия упругой деформации, где ее величина приближается к теп­ лоте плавления [114]. По этой схеме внешние напряжения не играют определяющей роли и лишь формируют соответ­ ствующую дислокационную структуру. Образование же трещин определяется взаимодействием упругих полей со­ прикасающихся объемов.

Схема Одинга применима при наличии значительной пластической деформации до разрушения. Она может дей­ ствовать и при низкотемпературном разрушении, так как в этом случае тоже наблюдается большая пластическая деформация, локализованная в малых объемах. К сожале­ нию, оригинальные взгляды Одинга на процесс разруше­ ния металлов в условиях хрупкости не получили дальней­ шего математического развития.

РОЛЬ ДВОЙНИКОВ В ХРУПКОМ РАЗРУШЕНИИ

Известно, что металлы с ОЦК решеткой склонны к ме­ ханическому двойникованию в области низких темпера­ тур [24]. Появление двойников в a -железе и стали наблю­ дается при температурах, близких к температуре перехода в хрупкое состояние. Повышение скорости деформирова­ ния, увеличение размера зерна, наличие концентраторов напряжений стимулируют деформацию двойникованием и одновременно увеличивают вероятность хрупкого разруше­ ния. Эта внешняя связь послужила основанием для про­ ведения большого числа исследований, направленных на выяснение ее природы [25, 153, 185].

Близость температурных границ появления хрупкости и деформации двойникованием позволила Е. М. Шевандину сделать вывод о том, что двойники ответственны за появление хрупкости. Детальный анализ температурных границ появления хрупкости и двойников, однако, пока­ зал, что при понижении температуры испытания двой­ ники появляются значительно раньше, чем совершается переход от вязкого разрушения к хрупкому. Разница составляет около 50°. При увеличении скорости деформи­ рования температура появления деформации двойнико­ ванием повышается быстрее, чем температура перехода

вхрупкое состояние.

Вопытах с чистым железом также удалось разделить температурные границы хладноломкости и двойникования [24]. Было показано, что хрупкость в исследованном железе наступает при температурах ниже 4,2° К, в то время как двойникование начинается при температурах выше 77° К- Отсутствие непосредственной связи хрупкого разрушения и двойникования отмечено и при испытаниях на растяжение железа различной степени чистоты [25]. Хрупкие разрушения металлов с ОЦК решеткой наблюда­ лись в условиях,- когда двойникование вообще не проис­ ходило [51].

Изучение распределения механических двойников на поверхности разрушившихся ударных образцов показало, что разрушение в верхней части температурного интер­ вала хрупкости зарождается за счет скольжения, а при дальнейшем снижении температуры — за счет двойнико­ вания. Хрупкая трещина, зародившаяся.за счет деформа­ ции скольжением, при -дальнейшем развитии вызывает

164

образование механических двойников вблизи поверхностей разлома. Наиболее часто двойники располагаются под углами 25 и 65° к поверхности разрушения. Образова­ ние двойников у вершины распространяющейся трещины наблюдалось также в работах [24, 244].

В работе [198] показано, что границы двойников яв­ ляются эффективными барьерами для дислокаций и по­ этому появление двойников способствует зарождению мик­ ротрещин. Возникшая трещина сама порождает двойники в об­ ласти своей вершины. Эти вто­ ричные двойники несколько затрудняют распространение трещины, но их задерживающее действие недостаточно для пол­ ной остановки трещины.

По мнению авторов работ [244, 271 ] микротрещины могут возникать при пересечении двой­ ников. Микротрещины на дисло­ кационной границе двойника наблюдались экспериментально [147]. Исследование особенно­

стей деформации монокристаллов чистого железа показа­ ло, что при достаточно низких температурах у вершины остановившегося двойника на расстоянии примерно 0,1 мк образуются микротрещины [252]. Между трещинами и двойниками происходит пластическая деформация.

Электронномикроскопическое исследование на просвет деформированных сжатием при —196° С образцов железа, выполненное Орловым и Утевским [120], показало, что

вжелезе не наблюдается плоских скоплений дислокаций

иинициирование микротрещин происходит при встрече двойника с границей зерна или другим эф>фективным пре­ пятствием (рис. 105). В соответствии с критерием Стро

[275]разрушение может произойти при скоплении около 100 краевых дислокаций, дающих суммарную сту­ пеньку сдвига 250 А. Толщина двойника, при которой смещение вдоль его границы (Sp на рис. 105) равно 250 А, составляет около 720 А. Двойники с такой толщиной на­ блюдались экспериментально в работах [24, 120].

Исходным положением всех дислокационных схем за­ рождения трещин является необходимость концентрации

165

напряжений в отдельных микроучастках образца. В общем случае необходимая концентрация напряжений может быть достигнута как при деформации скольжением, так и при двойниковании. Статистический характер процесса разру­ шения позволяет говорить лишь о вероятности того или иного механизма образования хрупкой микротрещины. Хрупкое разрушение такого сложного объекта, как реаль­ ный металл, происходит, по-видимому, с одновременным участием процессов скольжения и двойникования. Изме­ нение условий деформирования изменяет и удельную роль этих процессов в хрупком разрушении.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ХРУПКИХ ТРЕЩИН

Процесс хрупкого разрушения металлов можно ус­ ловно считать состоящим из двух стадий. Первая стадия включает в себя предварительную деформацию, собственно возникновение трещины и ее рост до критических разме­ ров по Гриффитсу. Вторая стадия наступает тогда, когда возникшая микротрещина достигнет критического размера и будет спонтанно распространяться по сечению образца. Условия распространения разрушения даются уравнением Гриффитса—Орована. Первая стадия разрушения зависит от критического касательного напряжения, а вторая — от величины приложенного растягивающего напряжения. По вопросу о том, какая стадия контролирует процесс хрупкого разрушения в целом, существуют различные мнения. Стро считает, что зарождение трещины на линей­ ном скоплении — процесс более трудный, чем ее распро­ странение [274, 275]. Это значит, что в структуре дефор­ мированного металла не должно быть неразвившихся микротрещин. Напротив, Котрелл предполагает, что обра­ зование трещин по его схеме идет легче, чем их распро­ странение. Поэтому в структуре деформированного металла должны быть трещины. Такие трещины действительно наблюдались в большом количестве в деформированных поликристаллических металлах [173]. Трещины имели длину, равную размеру зерна, и были почти на порядок длиннее критических размеров, вычисляемых из дислока­ ционных моделей. Тем не менее трещины были стабильны и не вызывали разрушения образца в целом. Это свидетель­ ствует о том, что существующие теории не описывают удовлетворительно условий распространения скола до

1 6 6

полного разрушения, что они в значительной степени идеализированы и не учитывают ряда особенностей, при­ сущих реальным поликристаллическим металлам [173].

Так, Стро в своем варианте дислокационной теории хрупкого разрушения предполагал, что условия возник­ новения трещины удовлетворяют и требованиям на ее рас­ пространение [275]. Однако трещина, достигшая крити­ ческого размера по отношению к своему зерну, может и не быть критической по отношению ко всему поликристаллическому агрегату. В общем случае трещина распростра­ няется через границу зерна с изменением своего направ­ ления. Если трещина остановилась у границы зерна или другого дефекта структуры и не может проникнуть дальше, распространение разрушения идет путем последующего возникновения трещин в соседних зернах. В общем слу­ чае образующиеся трещины не будут лежать в одной пло­ скости, поэтому их соединение произойдет путем разрыва перемычек между ними и приведет к образованию ступенек на поверхности скола [73]. Касаткиным было показано, что между дефектами структуры технического железа и образованием ступенек на поверхности разрушения суще­ ствует связь [74].

Множество ступенек образуется, если трещина прохо­ дит через винтовые дислокации, векторы Бюргерса кото­ рых не лежат в плоскости распространения трещины [275 ]. Все это говорит о том, что разрушение — ступенчатый процесс последовательных сколов в отдельных зернах [74 ].

Вработе [171 ] методами высокоскоростной киносъемки

испециальной фотозаписи было показано, что распростра­ нение хрупкой трещины носит прерывистый характер и происходит последовательными ступенями с определен­ ными интервалами задержки. Расстояние, проходимое тре­ щиной за один скачок, зависит от температуры испытания

иможет изменяться от единиц до десятков миллиметров. Время остановки разрушения между последовательными ступенями уменьшается от 20 до 1 мксек при понижении температуры на 10° С (от 35 до 25° С). Скачкообразное

движение трещины происходит со скоростью около 1000 м/сек и сопровождается возникновением двойниковых прослоек, ориентированных под углами 20—35° к направ­ лению распространения трещины. Некоторые связывают прерывистый характер хрупкого разрушения стали с дис­ кретным распространением впереди зоны разрушения волн

167

напряжений, величина которых может достигать 100— 200 /сГ/лш2.

Распространение хрупкой трещины связано с величиной «эффективной поверхностной энергии», которая состоит из истинной поверхностной энергии у и энергии пластической деформации у поверхности разрушения Рдеф. Касаткиным показано, что основной составляющей энергии поверхност­ ной пластической деформации является энергия образова­ ния «вязких» ступенек при хрупком разрушении [74]. Существенный вклад в энергию деформации вносят за­ траты на образование ступенек при пересечении винтовых дислокаций движущейся трещиной [275]. При наличии свободных дислокаций в зоне распространения трещины в области высоких напряжений будет происходить пласти­ ческое течение, снимающее концентрацию напряжений и тем самым препятствующее распространению трещины [94]. Стро было показано, что учет этой составляющей энергии деформации позволяет устранить одно из несо­ гласий теории Гриффитса с экспериментом [275]. Роберт­ соном установлено, что для распространения хрупкой трещины необходимо некоторое минимальное напряжение, составляющее около 8 кПмм*. При напряжениях ниже этого предельного значения хрупкая трещина любой длины не распространяется, хотя по уравнению Гриффитса тре­ щина достаточно большой длины должна распространяться при исчезающе малом напряжении. По Стро [275] крити­ ческое напряжение разрушения для плотности дислока­ ций 1010 линий/сл*2 составляет 6 кГ1см2, что близко к дан­ ным эксперимента.

Критическое (минимальное) напряжение распростране­ ния трещины рассчитано Ханом в предположении, что в поликристаллах область пластически деформированной зоны у вершины трещины должна быть порядка зерна [233].. В этом случае разрушающее напряжение составляет около 0,las (as напряжение течения), что согласуется с экспериментальными данными Робертсона и оценками Стро.

Показано, что существует критическая скорость рас­ пространения трещины, ниже которой хрупкая трещина будет останавливаться пластической деформацией в ее вершине. Это объясняется тем, что при низкой скорости распространения трещины время нагружения единичного, объема у ее вершины будет достаточным для передвижения и размножения дислокаций.

168

Петч особое значение придает скорости распростране­ ния трещины, полагая, что различие между вязким и хрупким разрушением связано скорее с различной ско­ ростью распространения трещины, чем с механизмом ее зарождения [125]. Этого же мнения придерживаются Ирвин и Орован.

КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЕРЕХОДА ИЗ ВЯЗКОГО В ХРУПКОЕ СОСТОЯНИЕ

Первая попытка оценки критической температуры хрупкости была предпринята Стро [275]. Рассматривая линейное скопление дислокаций у препятствия, Стро до­ пускает, что при достаточно высоких температурах теп­ ловые флюктуации достаточны для освобождения забло­ кированных источников. В этом случае напряжение возле лидера скопления будет релаксировать, в смежном зерне начнется пластическое течение, и металл будет вязким. В области низких температур тепловые флюктуации доста­ точной величины маловероятны и напряжение у скопления может достигнуть уровня хрупкой прочности до того, как начнется пластическое течение в смежных областях.

Пусть для активации источников дислокаций необхо­ дима энергия ШаК Тогда вероятность того, что в единицу времени дислокация будет освобождена, запишется в виде

Так как вероятность того, что за время t не произойдет освобождения дислокаций, равна

то, используя выражения (33) и (34), получим

169

Из уравнения (35) можно определить критическую тем­ пературу хрупкости. Очевидно, это будет температура, выше которой наблюдаются только вязкие изломы (t ^ т и р —0), а ниже — только хрупкие (t < т и р —►1). Эта температура определяется уравнением

Так как средняя деформация при хрупком разрушении мала, то можно записать

где '&— скорость деформации; Е — модуль Юнга; К — коэффициент, учитывающий сопротивление движению дис­ локаций и близкий к единице. Тогда

где С — постоянная величина, зависящая от свойств ис­ следуемого металла.

Стро было также показано, что зависимость критиче­ ской температуры Тк от размера зерна может быть пред­ ставлена выражением

где Сх — константа материала.

Выражения (38) и (39) удовлетворительно согласуются с экспериментом [275].

Для расчета абсолютного значения критической тем­ пературы необходимо знание энергии активации U (а) источника дислокаций. Строгий расчет этой энергии крайне затруднен как ввиду малой изученности возможных меха­ низмов блокировки дислокаций, так и из-за математи­ ческих трудностей.

Большинство работ по теоретической оценке крити­ ческой температуры хрупкости выполнено в предположе­ нии, что энергия активации U (а) представляет собой энер­ гию взаимодействия дислокаций с примесями внедрения. Вопрос о взаимодействии краевых дислокаций с примес­ ными атомами внедрения в металлах с решеткой ОЦК рассматривался в работах Котрелла, Котрелла и Билби,

170