книги / Структура и усталостное разрушение металлов

2.Квазискол. Происходит по типу транскристаллитного хрупкого скола, но со значительной локальной пла­ стической деформацией.

3.Чашечный механизм разрушения (зарождение,

рост и коалесценция микропор). Характеризуется нали­ чием на поверхности разрушения ямок или чашек («dimple») разрушения; различают транскристаллитное

имежзеренное чашечное разрушение.

4.Вязкий скол. Происходит под действием значи­ тельных сдвиговых напряжений. Как правило, в изломе имеются относительно плоские участки разрушения. Можно выделить два типа вязкого скола: расслоение и кристаллографический сдвиг.

5.Межзеренное хрупкое разрушение. Сопровождает­ ся распространением трещины вдоль границ зерен.

6.Усталостное разрушение с образованием усталост­ ных микрополос. В зависимости от того, как распростра­ няется трещина (по телу зерна или по границам зерен), различают транскристаллитное и межзеренное усталост­ ное разрушение.

7.Разрыв («rupture»). Сопровождается потерей несу­ щей способности нагруженного тела при 100%-ном су­ жении площади поперечного сечения тела образца.

Работа разрушения материала существенно зависит от действующего микромеханизма разрушения. Наимень­ ший уровень эффективной поверхностной энергии \^фф= = 103-М04 эрг/см2 отмечен в случае межзеренного и

транскристаллитного хрупкого разрушения сколом. При транскристаллитном разрушении по типу квазискола Уэфф= 104-=-106 эрг/см2. Наибольший уровень уЭфф на­ блюдается при транскристаллитном вязком чашечном разрушении; уэфф = 107-i-108 эрг/см2. В случае межзерен­ ного чашечного разрушения уЭфф изменяется в широком диапазоне значений от 106 эрг/см2 до значений, харак­ терных для внутризеренного чашечного разрушения.

Транскристаллитный хрупкий скол

Действие этого микромеханизма разрушения харак­ терно прежде всего для условий статического нагруже­ ния. Применительно к усталостным изломам скол преоб­ ладает в зоне долома. Чаще всего зарождение хрупких трещин скола связывают со слиянием дислокаций, скап­ ливающихся у границ зерен; с пересечением двух полос

В низкоуглеродистой стали скорость распространения трещины хрупкого транскристаллитного скола составля­ ет ~ 1800 м/с. Такие трещины трудно остановить. Поэто­ му в случае хрупкого разрушения такие сооружения как мосты, корпуса кораблей, стальные трубопроводы раз­ рушаются за считанные секунды. Скол обусловливает макрохрупкое разрушение с низким уровнем работы разрушения.

Он легко выявляется по специфическим признакам, наблюдаемым с помощью трансмиссионной и растровой электронной микроскопии: 1) по типичным картинам «речного узора», в известной степени указывающих на направление распространения скола (рис. 7,а); 2) по ступенькам скола; 3) по языкам скола, образующимся при распространении трещины частично вдоль границы двойник — матрица (см. область А на рис. 7,6).

Возникновение ступенек скола связывают с разруше­ нием (сколом или сдвигом) металла между двумя рас­ положенными на параллельных уровнях трещин скола. При этом небольшие ступеньки скола могут образовы­ ваться в результате пересечения трещиной винтовых дис­ локаций.

Большую роль в образовании ступенек играют грани­ цы зерен. Они изменяют плоскость разрушения и способ­ ствуют появлению многочисленных стуйенек скола. Повидимому, в формировании ступенек скола участвуют и винтовые дислокации у вершины трещины в зоне интен­ сивной пластической деформации.

Языки скола типичны для хрупкого транскристаллит­ ного скола. Они образуются при распространении тре­ щины вдоль границ двойник — матрица. При этом тре­ щина с плоскостью скола {100} пересекает поверхность двойника {112}, а затем вне двойника в матрице вновь продолжает распространяться вдоль плоскости {100}. Кроме сталей, склонность к разрушению вдоль плоско­ стей скола типа {100} проявляют сплавы системы А1—Zn—Mg, а также другие металлы и сплавы. Алюми­ ниевые сплавы во влажной атмосфере склонны к разру­ шению по механизму хрупкого скола. Так, в сплаве сис­ темы А1—5Zn—lMg повышенной чистоты, термически об­ работанном на максимум твердости, разрушение сколом происходило во влажной атмосфере и не наблюдалось в сухой [23].

Ё этом механизм квазискола похож на механизм коалесценции пор. В отличие от последнего слияние субмикро- и микротрещин между собой и с макротрещиной в значи­ тельной степени протекает по механизму скола.

Чаще всего склонность к квазисколу проявляют за­ каленные и термически улучшенные стали. Во многих закаленных и отпущенных сталях, в которых элементы структуры, созданные при отпуске, малы по сравнению с размером исходного аустенитного зерна и с элементами существовавшей ранее неотпущенной мартенситной структуры, направление разрушения уже не столь тесно связано с ориентацией кристаллитов, через которые про­ ходит трещина. В результате траектория распростране­ ния трещины в пакете мартенсита состоит из отдельных участков, которые часто не имеют кристаллографической ориентировки типа {100}, характерной для хрупкого транскристаллитного скола. Эти участки параллельны одной или нескольким плоскостям с малыми индексами.

В некоторых материалах (например, в железе при —196° С [24] и среднеуглеродистой стали 4140 [25]) на поверхности усталостного разрушения в зоне стабильно­ го роста трещины видны участки развитого гребенчатого рельефа (рис. 9, а, б). Направление гребней чаще всего совпадает с направлением распространения усталостных трещин (см. рис. 9, а). На некоторых участках излома направления гребней ориентированы под значительным углом к направлению распространения трещины. Неко­ торые исследователи [25] относят этот тип разрушения к квазисколу. Однако этот вывод требует дополнительно­ го подтверждения, поскольку можно выделить несколько признаков, отличающих квазискол подобного типа от «классического» квазискола.

Исследуя [26, 27] поликристаллическое железо при температуре жидкого азота с помощью метода ямок травления, какой-либо преимущественной кристаллогра­ фической плоскости разрушения в участках усталостного излома с гребенчатым рельефом не обнаружено. Тогда как в зоне долома с типичными картинами речного узора ямки травления на поверхности фасеток разрушения со­ ответствовали разрушению вдоль плоскостей скола типа {100}. Как правило, плоскость излома в участках с гре­ бенчатым рельефом перпендикулярна оси нагружения, и границы зерен практически не изменяют плоскости раз­ рушения, в то же время при разрушении квазисколом со­

Как правило, чашки имеют ту или иную степень вытя­ нутости вдоль одного из направлений. В первом приб­ лижении можно выделить две формы чашек: равноос­ ные и параболические. Форма чашек зависит от напря­ женного состояния у вершины трещины в момент роста

икоалесценции пор. В зависимости от типа деформации

впластической зоне у вершины трещины и последую­ щих процессов релаксации форма чашек и их взаимная ориентация на обеих поверхностях разрушения может

существенно меняться. Согласно данным Бичем [29], на двух разделившихся частях образца эксперименталь­ но обнаружено 6 вариантов формы и ориентации чашек. На основании анализа напряженного состояния у вер­ шины трещины Бичем предполагает существование еще 6 вариантов чашек и ориентационного соотношения между ними. Подобный анализ в известной степени поз­ воляет оценить напряженное состояние у вершины трещины.

Применительно к усталостному разрушению чашеч­ ный механизм реализуется во многих металлах и спла­ вах. Прежде всего этот тип разрушения преобладает в зоне долома пластичных материалов. Он занимает также значительную долю излома в переходных зонах, в которых наблюдается ускоренное продвижение уста­ лостной трещины (например, в железе и стали отдель­ ные участки усталостных микрополос перемежаются участками с чашечным строением изломов). По-види­ мому, в некоторых высокопрочных сталях и сплавах ча­ шечный микромеханизм разрушения действует в усло­ виях плоской деформации. Так, в образцах стали 2Х15Н5АМЗ с ств = 330 кгс/мм2 распространение уста­ лостной трещины в зоне стабильного роста происходило по механизму зарождения, роста и коалесценции пор (см. рис. 10) [30]. На дне чашек видны включения вто­ рой фазы. Вероятно, включения способствуют зарож­ дению пор, которые затем растут и сливаются с макро­ трещиной, подавляя процесс образования усталостных микрополос. В результате скачок трещины коррелирует со средним расстоянием между частицами второй фазы, расположенными между собой на расстоянии 0,5— 0,7 мкм.

В дисперсно- и дисперсионно-упрочняемых материа­ лах зарождение пор происходит вследствие разрушения вдоль межфазной границы включение — матрица Или

растрескивания самой частицы. Гурланд и Плетью [31] предложили модель, в которой диаметр частиц свя­ зан с напряжением инициирования трещины. В основу модели положено допущение, что энергия деформации, освобождаемая благодаря образованию пор, должна быть достаточной для компенсации поверхностной энер­ гии вновь создаваемой свободной поверхности трещи­

где q г—коэффициент концентрации напряжения у час­ тицы; у — удельная поверхностная энергия трещины; Е — средневзвешенный модуль упругости частицы и матрицы; а — диаметр частицы.

Одним из существенных недостатков рассматрива­ емой модели является предположение об упругом ха­ рактере деформации как в частице, так и в матрице. В условиях чашечного микромеханизма разрушения в мат­ рице вокруг частицы при нарушении когезивной связи и росте поры развивается значительная пластическая деформация. В работе [32] сделана попытка учесть расход энергии упругой деформации на поверхностную энергию и пластическую работу. Окончательное выра­ жение для а приобретает вид:

(12)

где оу — среднее напряжение текучести матрицы при данной форме и объемной доле частиц дисперсной фа­ зы; V — объем частицы; Д V — объем пластически де­ формированной матрицы.

Второй член этого уравнения соответствует работе пластической деформации при зарождении поры.

В зависимости от того как ориентируется в структу­ ре поверхность разрушения, различают внутризеренное и межзеренное чашечное разрушение. Вязкое (по типу чашечного) межзеренное разрушение наблюдали при разрушении углеродистой (0,59% С) стали со структу­ рой мартенсита в условиях задержанного разрушения [33]. Этот тип разрушения в значительной степени за­ висит от температуры отпуска. Поскольку для отпущен­ ного мартенсита вдоль границ бывших аустенитных зе­

рен характерны более крупные выделения частиц кар­ бидов, чем во внутренних объемах зерен, можно пред­ положить, что распространение трещины вдоль границ зерен происходит вследствие зарождения и роста пор

вдоль границ зерен.

Наибольшее распространение механизм чашечного межзеренного разрушения при усталости получил в алюминиевых сплавах, в которых вдоль границ зерен имеются зоны, свободные от выделений второй фазы (обедненные зоны).

почти плоских, поверхностей разрушения, иногда с от­ дельными полосами скольжения (см. рис. 8, б). Этот вид разрушения (по Крюссару, вязкий скол [34, с. 535]) ха­ рактеризуется появлением на поверхности излома от­ носительно больших по площади гладких участков. Рас­ слоение встречается при прокатке листов стали, молиб­ дена и других о. ц. к. металлов, а также при испытаниях на ударную вязкость в образцах особенно с плоскостью надреза в плоскости листа. Иногда на отдельных участ­ ках расслоения видны сильно вытянутые чашки. Это указывает на то, что разрушение происходит в условиях, когда, кроме компоненты растяжения, нормальной плос­ кости расслоения, действует сдвиговая компонента нап­ ряжения вдоль плоскости разрушения.

По Крюссару [34, с. 535], расслоение связано с рас­ щеплением материала по плоскостям скольжения и обусловлено ослаблением связей после пластической деформации в полосе скольжения. О. Н. Романив с сот­ рудниками [35] отметили появление на поверхности рас­ щепления осколочных вырывов, являющихся, по-види­ мому, следствием вторичных трещин. Это придает плос­ костям сдвигового расщепления квазиотрывной ха­ рактер.

В ряде случаев на поверхности разрушения при расслоении отмечали появление ручьистого узора, ха­ рактерного для хрупкого разрушения [36]. Возможно, что принимаемые в ряде ранних работ так называемые следы ступенек скола на поверхности относительно гладких поверхностей разрушения являются протяжен­ ными «лезвиеобразными» краями чрезвычайно вытяну-