книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

Г ЛА В А VII

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИНЫ НА СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ

Здесь мир от макро и до микро. .

Илья Сельва

Не смейтесь надо мной деленьем шкал. Естествоиспытателя приборы!

Я, как ключи к замку, вас подбирал, Но у природы крепкие затворы.

Гёте

1. МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ РАСКОЛА

Изучение структуры поверхности излома — важный метод, широко применявшийся для получения сведений об особен­ ностях распространения трещины в процессе разрушения и оценки качества металла, а также в целях экспертизы. Наибо­ лее полный обзор методов исследования изломов и различных его видов приведен в монографии Я. Б. Фридмана, Т. А. Гор­ деевой и А. М. Зайцева [296] и обзоре [288]. Анализ усталост­ ных изломов излагается в книгах И. А. Одинга [297] и С. И. Ратнер [298]. В целях решения различных металловедческих и прочностных задач фрактографические исследования прово­ дили многие ученые (см. например [299, 300]).

Поверхность излома, определяемая схемой . нагружения, имеет разную структуру (рельеф), а также различается по ве­ личине и локализации пластической деформации. Действи­ тельно, материал может разрушаться не только при обычном разрыве или сдвиге под действием статических или ударных нагрузок, но и в процессе усталости или взрывного приложе­

особенности. Например, при взрывном нагружении образуются так называемые гладкие сколы [302], обусловленные встречей двух растягивающих отраженных волн. Нередко разрушение такого вида сопровождается обратимыми полиморфными пре­ вращениями. Кавитационное разрушение [303], связанное также с динамическим импульсивным нагружением, вызванным за­ хлопыванием кавитационных полостей, образует уже другие фигуры разлома, хотя тоже происходит путем хрупкого раз­ рушения кристаллитов.

112

Своеобразно протекает разрушение монокристаллов галоид­ ных солей. На их поверхности в процессе распространения трещины могут возникать усы или «щепки» раскола размером в десятки микрометров [304, 305], так называемые протубе­ ранцы— возвышенности или каверны, а также образования в форме диска. Данные подробных исследований разлома кристаллических и аморфных тел приведены в монографии и обзоре Д. Б. Гогоберидзе [306—307]. Формы излома кристал­ лов германия и кремния рассмотрены, например, в работе [308], некоторых интерметаллидов — в [309], кристаллов железа —

в[310].

Я.Б. Фридман [296] классифицирует изломы по двум при­ знакам: характеру нагружения, вызвавшему данный излом, и по особенностям его строения. При классификации по харак­ теру нагружения естественно различать три основные группы: а) изломы от кратковременной однократной нагрузки, так на­

зываемые статические изломы при растяжении, изгибе, круче­ нии и других видах деформации, изломы ударного нагружения и др. ..; б) изломы от постоянной длительной нагрузки, дей­ ствие которой отличается от предшествующего случая не только длительностью, но и постоянством ...; в) усталостные изломы от многократно повторяющейся нагрузки.

В целях классификации изломов по особенностям их строе­ ния следует обратиться к фрактографическим работам, выпол­ ненным методами электронной микроскопии. Благодаря боль­ шей глубине резкости (примерно в 1000 раз) и большей разре­ шающей способности (примерно в 100 раз), чем у оптических микроскопов, электронный микроскоп является одним из основ­ ных приборов, применяющихся для исследования изломов. Основные работы по электронной микрофрактографии выпол­ нены в нашей стране Л. М. Утевским [311, 335, 336], во Франции — Круссаром с сотр. [312, 313], в Англии — Форсай­ том [319, 320, 340]. Обзор некоторых работ в этом направлении до 1959 г. проведен М. Л. Бернштейном и А. И. Паисовым [314].

Суммируя приведенные выше работы, поверхности изломов можно разделить на два типа: а) обладающие кристаллическим изломом при хрупком разрушении и б) имеющие волокнистое строение. При хрупком изломе скол идет по нескольким парал­ лельным плоскостям, расположенным близко одна от другой. Объединение близких трещин ведет к появлению так называе­ мого речного узора. На хрупком сколе всегда присутствуют многочисленные ступеньки и «язычки». Ступеньки образуются в результате разрыва перемычек и имеют различные ориента­ ции: скол по плоскости спайности, расщепление по плоскости двойника, разрушение по иррациональной поверхности. Мелкие ступени, всегда присутствующие на поверхности разрушения,

И З

согласно Гилману [315], связаны с пересечением трещины с винтовыми дислокациями, вектор Бюргерса которых не лежит в плоскости скола. Кроме того, подобные ступеньки могут воз­ никать при пересечении трещиной границ субзерен и слабо разориентированных кристаллитов (зерен).

Язычки имеют форму выступов или впадин, пересекающих плоскость скола под углом 35°, т. е. в направлении [ПО], и ле­ жащих в плоскости [112]. Образуются язычки в результате ло­ кального вырывания металла по поверхности между основным кристаллом и двойниками, появляющимися в процессе распро­ странения трещины. Они возникают только в том случае, если трещина идет параллельно направлению [110]. При комнатной температуре язычки не образуются и скол имеет вид ступеней. Кроме Круссара, язычки наблюдали Л. Г Орлов и Л. М. Утевский [311], М. А. Котлас, Д. А. Свешников и В. К. Афана­ сьев [316], Г. В. Эстулин и С. Б. Масленников [317], Нестлер и Гюнтер [318], а также другие исследователи.

Вязкий скол в стали состоит из «чашечек», имеющих вогну­ тую форму на обеих половинках образца. В основании чаше­ чек расположены частицы неметаллических включений или выделений. На этом основании Круссар и др. [312] предполо­ жили, что перед фронтом главной трещины вязкого разрушения на частицах включений происходит образование микротрещин. Главная трещина растет путем нарушения перемычек между микротрещинами и объединяет их.

Форсайт и Ридер [319, 320, 340], Мак-Гроу и др. [650] элек­ троннографически изучали строение усталостного излома. Они исследовали полосчатость. Показано, что полосы перпендику­ лярны направлению трещины и расстояние между ними пропор­ ционально скорости трещины. Отмечается, что для усталостного разрушения характерно чередование «взрывов», обусловленных растягивающими напряжениями, и периодов медленного роста трещины. На основании информации о структуре поверхности разрушения Форсайт и Ридер предположили, что механизм уста­ лостного разрушения заключается в росте линзообразных пу­ стот по границам и движении полос сброса. Укажем также на ряд работ по электронной микрофрактографии различных хруп­ ких и вязких материалов [321—323].

Особенно интересна связь между характером поверхности разрушения и темпом движения трещины. Количество работ, выполненных в этом направлении, крайне ограничено. Одно из первых исследований — статья Ирвина, Саливена и Киса [337]. Авторы изучали зарождение и развитие трещины, а также кар­ тины маркировки поверхности излома при быстром движении разрушения в различных материалах (пластмассы, монокри­ сталлы, поликристаллы). Отмечается неравномерность и скачко­

114

образность в распространении трещины, обусловленная объ­ единением многих отдельных третий в одну магистральную. Чем более хрупко вещество, тем более сложна структура по­ верхности излома и более явна ее зависимость от скорости трещины. Переход or медленного разрушения к умеренному, но не быстрому, в упрочненной стали сопровождается возник­ новением все более мелких чешуйчатых элементов, которые по мере возрастания скорости трещины располагаются все ближе к ее кромке. В случае быстрого распространения, характери­ зуемого авторами как «взрывное» разрушение, создается со­ стояние, при котором материал на пути трещины оказывается пронизанным многочисленными зародышами трещин и очагами повышенных напряжений. При этом, по мнению авторов, по­ верхность разрушения может выравниваться. Эту точку зрения Ирвин и Кис развивают в работе [324] по изучению рельефа излома в металлах и ацетилцеллюлозе. На первых медленных стадиях развития трещины происходит значительная пластиче­ ская деформация. Последующее ее развитие носит прерыви­ стый характер. Быстро чередующиеся ускорение и торможение трещины создают механические толчки и ведут к появлению неровностей на поверхностях разрушения. Однако авторы от­ мечают, что по мере дальнейшего ускорения плоскости вырав­ ниваются, так как уменьшается скачкообразность. При еще большей скорости из-за очень быстрого движения и ветвления опять возникают неровности.

стальных образцов. Высоту неровностей в изломе определяли по профильным кривым, снятым с исследуемой поверхности оп­ тико-механическим профилометром ИЗЛ-5. На большинстве изло­ мов наблюдалось увеличение шероховатости от очага разруше­ ния в направлении его распространения. При этом кривые имели волнообразный характер. Был сделан вывод о том, что шерохо­ ватость растет с увеличением скорости трещины. В связи с этим отмечается, что по характеру шероховатости можно судить о ки­ нетике трещины и грубо определить темп ее роста.

Единственной работой *, в которой структура поверхности разрыва полиметилметакриллата и органического стекла рас­ сматривается в сопоставлении с количественно определенными скоростями трещины [186], установлено существование в изломе двух зон: быстрого и медленного разрушения. Наибольшая ше­ роховатость излома наблюдалась у образца без надреза, мень­

щью линий Вальнера рассматриваются в п. 8 этой главы.

115

лома совершенно гладкая, что, вероятно, связано с относительно низкой скоростью трещины. Это в свою очередь обусловлено низким .запасом упругой энергии надрезанного образца. В таких образцах часть излома, непосредственно около исходной тре­ щины, имеет волокнистое строение и представляет собой след многих трещин, одновременно распространяющихся параллельно друг другу из многих центров. Такой излом перемещается много медленнее, чем разрушение в среднем.

Интерферометрическое исследование поверхности разруше­ ния галоидных кристаллов в целях сопоставления со скоростями роста трещины проводили в работе [198]. На рис. 48 приведена фотография поверхности раскола кристалла LiF. Там же отме­ чены величины скоростей трещины при движении вдоль кри­ сталла. В первой четверти кристалла, близ очага удара, скоро­ сти трещины сравнительно невелики (800—960 м/сек) и поверх­ ность относительно ровная. Нарастание скорости (до 1440 м/сек) сопровождается появлением на сколе крупных изогнутых борозд, форма которых в некоторой степени отражает фронт раскола на этом участке. После спада скорости поверхность раскола кристалла выравнивается.

Микроинтерферометрическое исследование показало, что, кроме крупных борозд, на поверхности скола всех кристаллов имеется весьма сложная система ступенек. С ростом скорости распространения трещины структура поверхности усложняется, что можно видеть на примере NaCl (рис. 49). При малых скоро­ стях интерференционные линии прямолинейны. С повышением скорости трещины плотность ступенек возрастает, и из прямоли­ нейных эти линии становятся криволинейными. Появляются фасетки с изогнутой поверхностью. Укажем здесь на исследова­ ние [325], авторы которого обнаружили на поверхности скола монокристалла германия следы отрыва, образующиеся по дости­ жении скоростью трещины некоторого критического значения. При этом опережающие трещину волны переводят ее на другой уровень. Указывается на отсутствие связи следов отрыва с дис­ локациями.

Поверхность разрушения отдельных кристаллитов поликристаллического крупнозернистого кремнистого железа изучали в связи со скоростью роста трещины методом интерференцион­ ной фрактографии на микроинтерферометре МИИ-4. Исследо­ вали образцы трех групп [203]. У образцов первой группы с над­ резом рассматривали изломы, полученные в работе [283] при разрушении сосредоточенным изгибом. Скорости трещин при этом не превышали 1000 м/сек. Во второй и третьей группах анализировалась поверхность излома крупно- и мелкокристалли­ ческих образцов, испытание которых на разрыв описано в на­ стоящем параграфе.

116

У образцов всех трех групп качественный характер измене­ ния поверхности разрушения с изменением скорости трещины одинаков (рис. 50). При малых скоростях трещины поверхность раскола кристаллита испещрена небольшими по высоте неодно­ родностями типа, например, речного узора. Размеры фасеток Малы. Наблюдаются многочисленные незначительные по высоте ступеньки. Особенностью разрушения при малых скоростях тре­ щин является отсутствие или незначительная величина разво­ рота смежных фасеток друг относительно друга. В целом на­ правление интерференционных линий меняется несущественно и обусловлено в основном пластической деформацией.

ный разворот фасеток, достигающий 10—12° Результаты иссле­ дования роста углов разворота фасеток в широком интервале скоростей для всех трех серий образцов приведены на рис. 51. Для больших скоростей характерна резкая изогнутость поверх­

ности отдельных фасеток.

Таким образом, рост скорости ведет к увеличению взаимного разворота фасеток и в отдельных случаях вызывает монотонный изгиб поверхности разрушения кристаллита.

Каким образом изменения рельефа поверхности разрушения со скоростью трещины и, прежде всего, появление высоких сту­ пеней, кривизны поверхности и разориентировки фасеток можно связать с общепринятыми представлениями о разрушении? Можно предположить, что на некоторых этапах своего движе­ ния, особенно при больших скоростях, трещина не обязательно распространяется по плоскости спайности. Для проверки этого предположения рентгенографическому анализу были подверг­ нуты крупнокристаллические образцы в точках, отвечающих.

117

скоростям от 60 до 1400 м/сек. Съемку вели на камере РКВ-86-А по методу эпиграмм. Образец юстировался на гониометрической головке при помощи оптического коллиматора и зрительной трубы. Устанавливалось положение, при котором плоскость скола кристалла была нормальной к рентгеновскому лучу, а на­ правление распространения трещины было горизонтальным. Ис­ пользование щели размером 0,5 мм обеспечивало получение об­ лучаемого объема, во много раз меньшего размера, чем скол кристаллита.

Расчет полученных эпиграмм для скоростей от 60 до 1400 м/сек, позволил установить, что во всех случаях поверхно­ стью излома была плоскость (100), т. е. плоскость спайности объемноцентрированных кристаллов.

Следует, однако, отметить макроскопический характер иссле­ дования. Кроме того, в связи с некоторой погрешностью, связан­ ной с юстировкой (порядка 3—5°), можно говорить лишь о том, что плоскость разрушения весьма близка к плоскости (100). Малые отклонения от нее не могли быть зарегистрированы. Во­ обще исключить возможное движение трещины по иным плоско­ стям, в частности иррациональным, на отдельных микроэтапах разрушения нельзя.

Однозначный ответ в этом отношении был получен Линдбургом и Авербахом [326], Они изучали кристаллографию разруше­ ния в феррите и мартенсите методом дифракции электронов и трансмиссионной электронной микроскопии. Оказалось, что тре­ щина многократно меняет направление даже в пределах одного кристаллита, создавая до 20 и более сегментов. При этом она может распространяться по плоскостям (100), (ПО), (211), (321), (310) и по некоторым другим. Кристаллография разруше­ ния зависит от температуры испытания и схемы нагружения. Нельзя, таким образом, исключить того, что с изменением ско­ рости распространения трещины не произойдет вариаций в на­ боре и доле участия кристаллографических плоскостей, по кото­ рым способна перемещаться трещина.

Что касается усложнения рельефа поверхности разрушения, то рост скорости трещины качественно подобен понижению тем­ пературы испытания [327].

При высоких температурах [( + 10)н-(—20°)] поверхность скола кристаллита относительно гладкая, с мелкими ступень­ ками и неровностями. Интерференционная картина свидетель­ ствует о малой пространственной кривизне цилиндрического типа с осью, совпадающей с направлением распространения тре­ щины. Размер фасеток 1 при этих температурах мал и разброс их по величинам невелик. Это означает, что перед разрушением или одновременно с ним прошла пластическая деформация.

1 Фасетка — относительно гладкая часть на поверхности раскола кри­ сталлита, отделенная от остальной поверхности крупной ступенькой треши-

118

С понижением температуры обнаруживается взаимный раз­ ворот фасеток, достигающий нескольких градусов. Максималь­ ная кривизна поверхности в пределах одной фасетки и угол разориентировки смежных фасеток увеличиваются. Между фа­ сетками появляются глубокие впадины и незавершенные тре­ щины. В вершине таких остановившихся трещин поверхность скола искривлена. Общий размер фасеток и одновременно раз­ брос их величин возрастают. В целом скол становится все более неровным. Рассчитанный из интерферометрических данных ми­ нимально возможный радиус кривизны при этом уменьшается, достигая 25—35 мкм. Наличие при низких температурах сколов значительной кривизны не исключает существования многочи­ сленных сравнительно гладких участков поверхности.

В отдельных случаях, чаще всего при низких температурах, наблюдались участки скола, отвечающие переходу трещины из одного зерна в другое или от фрагмента к фрагменту.

Гилман [328] и Лоу [30] рассмотрели формы существования дислокаций в кристалле в связи с движением трещины. Дисло­ кации могут быть в кристалле в исходном состоянии, в виде сетки внутри зерен. Они могут присутствовать в виде правиль­ ных построений в малоугловых границах. Наконец, они могут быть введены пластической деформацией целого кристалла до раскола и вершиной трещины в процессе разрушения.

Этот вопрос важен, во-первых, потому, что определяет энер­ гоемкость разрушения и, во-вторых, в связи с тем, что представ­ ляет собой одно из основных явлений, ведущих к ступенчатооб­ разному рельефу поверхности разрушения. На хрупком сколе, как уже указывалось, обычно наблюдаются «речной узор» или «ручьи». Ступеньки скола, будучи основными в «речном узоре», могут быть следствием многих причин. Однако несомненно, что наиболее просто их образование при встрече трещины с винто­ вой дислокацией, вектор Бюргерса которой не лежит в плоско­ сти скола. Когда фронт трещины пересекает такую винтовую дислокацию, уровни трещины по обеим сторонам дислокации оказываются смещенными на величину вектора Бюргерса по высоте. По мнению Лоу [30], такие ступеньки стремятся соби­ раться вместе, погашая друг друга, если они противоположного знака, или создавая большую ступеньку, если они одного знака.

Экспериментально образование ступенек такого типа наблю­ дали Билби и Смит [329], Пратт [330], Форти [331]. Гилман [328] нашел, что в LiF краевые дислокации не создают ступенек, в то время как винтовые рождают их в подавляющем большинстве случаев.

ной, каверной или целиком повернутая относительно ее на некоторый угол. В отношении размеров фрагмент и фасетка близки, тем не менее идентичность их пока не установлена.

119

В исследованиях [332, 333] Гилман обсуждает вопрос об энергетических потерях трещин на образование ступенек в от­ сутствие пластической деформации и тогда, когда она сущест­ вует. Следует также отметить работу Б. С. Касаткина и Ж . Н. Стрижеуса [334] по этому же вопросу. Применение эле­

ского железа.

Особенно интенсивно возрастает число ступенек при пересе­ чении трещиной малоугловой изогнутой границы. Поскольку преодоление ступеньки связано с затратой энергии, трещина не­ сколько тормозится. Это создает предпосылки дробления тре­ щины на несколько фронтов с различной скоростью движения. Весьма отчетливо это проявляется в поликристалле, где форма трещин в микромасштабе почти всегда неправильна и, согласно Лоу, в отдельных областях хрупкая трещина может распро­ страняться в направлении, противоположном среднему направ­ лению движения.

2.ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ В ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ

Всвязи с различными явлениями поверхность хрупкого из­ лома рентгенографически изучали В. И. Архаров и М- П. Браун ,[339, 340, 259] (перегрев), К. Ф. Афанасьев и Ю. С. Термина­ лов [341], А. Иманкулов и А. Г. Яхонтов [342], П. М- Козлов и

А.Г. Яхонтов [343], Ленуар [344] (усталость), Чжан и Грант[345] (ползучесть), В. В. Гавранек, М. Я. Фукс и Д. Н. Большут-

кина [346] (кавитационная эррозия), В. М. Финкель [347] (хлад­ ноломкость). В ряде работ проведен анализ излома для выявле­ ния причин отпускной хрупкости.

Во многих статьях [348—353] приводятся результаты рентге­ нографического исследования структуры поверхностей излома, полученных при различных температурах. Некоторые из этих работ выполнены с помощью метода микропучка [349—354], ос­ тальные— основаны на анализе ширины интерференционной ли­ нии и на рентгеновской теневой микроскопии. Остановимся на отдельных работах.

Чжан Ло-Цин [349] исследовал поверхность разрушения цинка, железа и стали с содержанием углерода 0,2°/о- Разруше­ ние проводили в интервале температур от 225 до 35° К. Приме­ няли микропучок диаметром 150 мкм и расходимостью порядка 1°. Определяли распределение деформации на различных глуби­ нах под поверхностью разрушения путем стравливания слоев металла. Установлено, что на поверхности излома пластическая деформация составляет 5—6%. На глубине 20—30 М&м она па­ дает до величины, составляющей */3 деформации на поверхности, и далее не меняется. В связи с этим автор рассматривает два

120

вЧ^а деформации: предшествующую разрушению и протекаю­ щую непосредственно в момент разрушения. Аналогичный ха­ рактер носит работа Б. С. Касаткина и Б. А. Мовчана (микропучок 150 мкм). Они обнаружили, что при хрупком разрушении деформация локализуется в слоях, в 100 раз более тонких, чем При вязком.

В. М. Финкель и П. И. Кротенок [355] изучали разрушение закаленной и отпущенной при 600° С рельсовой стали с 0,75% С. Испытания проводили при температурах от +100 до —70° С. Бмл использован метод косой съемки. Толщина слоя, создаю­ щего интерференционную картину, как известно, определяется угдом наклона шлифа. Это позволило варьировать глубину рент­ геновских лучей и определить ширину линии на удалении 7— 40 мкм от поверхности. Установлено возрастание локализации пластической деформации с понижением температуры испыта­ ния. При минус 50 —минус 70° С вся пластическая деформация Протекает не глубже 35-7-40 мкм.

В работе [327] объектом исследования служила трансформа­ торная сталь с 4% Si. Образцы Менаже из нее отжигали в тече­ ние 12 ч при 1300° С. Размеры зерна при этом достигали 0,5— 1 мм. Разрушение проводили на копре в интервале от +20 до

—180° С. Ударная вязкость трансформаторной стали с темпера­ турой уменьшалась от 100 кдж/м2 (1 кГм/см2) при 0°С до 10— 20 кдж/м2 (до 0,1—0,2 кГм/см2) при —180° С.

Рентгенографическое исследование поверхности разрушения выполняли в плоском широкосходящемся микропучке. Величина облучаемого объема 1 X 6 мм.

Образцы, разрушенные при различных температурах, давали интерференционные пятна, существенно отличавшиеся друг от друга. При высоких температурах испытания рефлексы разма­ зывались, нередко превращаясь в облака-ореолы. Характерно то, что этот процесс протекал на большинстве зерен. При низких температурах также наблюдались деформированные кристал­ литы, однако большинство их было деформировано весьма слабо и сохранило четкую субструктуру.

С понижением температуры пластическая деформация убы­ вает. Это проявляется прежде всего в уменьшении числа дефор­ мированных зерен. В пять раз уменьшается разориентировка между фрагментами. Относительное количество кристаллитов, с сохранившейся разориентировкой смежных фрагментов в 3— 6 и 10—30 минут возрастает примерно в четыре раза. Пластиче­ ская деформация происходит и при очень низких температурах,, однако в этих условиях она носит избирательный характер, ин­ тенсивно «поражая» отдельные кристаллиты и незначительно — подавляющее их большинство.

В настоящее время считается надежно установленным, что на поверхности излома протекает пластическая деформация,.

121