книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

Приведенные механизмы менее важны, чем наиболее реаль­ ный случай встречи растущего двойника со стенкой другого, уже существующего (рис. 1,з'). Это связано со способностью двойниковой прослойки создавать высокие напряжения в окре­ стностях тормозящего ее барьера. Как известно, наиболее эф­ фективными, но не абсолютными барьерами служат сами двой­ ники.

Холл [52], использовав уравнение Гриффитса, установил связь между растягивающими напряжениями ■o', необходимыми для продвижения трещин, и толщиной t двойника, их создающего,

ot t g 0 « 2 T ,

где 0 — угол сдвига; у — эффективная поверхностная энергия.

Оценка показывает, что достаточно двойниковой прослойки толщиной 1100 А. Поскольку наблюдаемые двойники имеют существенно большее сечение, делается заключение о возмож­ ном возникновении трещин в местах пересечения двойников и у всех достаточно жестких барьеров. К этому же выводу можно •прийти и из определения касательных напряжений в вершине двойника:

т0 = /г'т,

где т — приложенные касательные напряжения, а пг — число дислокаций на поверхности раздела двойника. Величина То ока­ зывается порядка модуля сдвига, что может привести к локаль­ ному зарождению микроразрушения.

Изложенное не ограничивает вариантов зарождения разру­ шения. В поликристаллах молибдена, хрома и вольфрама на­ блюдали (рис. 1 ,и) образование трещин на границах зерен при встрече с ними двойников [54, 30, с. 134]. В хроме, молибдене [54, 55] и висмуте [56] зарегистрированы трещины в двойниковых прослойках и на некогерентных включениях на поверхности раз­ дела двойник — матрица. Исследование динамически нагружен­ ных образцов кремнистого железа [6, а также В. М. Финкель и др.] с последующим применением микрорентгенографического метода Берга—Баррета показало, что рентгенограмма со шлифа

(110), нормального к направлению растяжения, имеет вид поля, заполненного мелкими черными точками, каждая из которых соответствует очагу интенсивной деформации. Особенно иска­ жены приповерхностные участки, где почти каждый рефлекс обладает длинным шлейфом дебаевского происхождения.

Сопоставление микрорентгенограммы с микрофотографиями позволяет утверждать, что высоколокализованные очаги пласти­ ческой деформации могут быть в принципе связаны с пересече­ ниями: двойник — полоса скольжения, полоса скольжения — по­

22

лоса скольжения, двойник—поверхность образца (кристаллита), полоса скольжения—поверхность образца (кристаллита).

Наблюдения, выполненные на большом числе образцов крем­ нистого железа, показали, что разрушение начинается на их поверхности в месте выхода двойника, при этом вначале тре­ щина возникает и распространяется по телу двойниковой про­ слойки в плоскости (121) (рис. 4 ,\и'). Образование подобной трещины может быть обусловлено существенной искаженностью зоны аккомодации и насыщением ее границы с матрицей сидя­ чими дислокациями. Возможно также торможение двойника около границы «излучением» множества полос скольжения и вскрытием за счет мощного поля напряжений поверхностной трещины по механизму Орована( рис. 1,/с). Как известно, этот механизм состоит в том, что зародышевая поверхностная тре­ щина подрастает за счет поля напряжений отдельной полосы скольжения. В случае же множества линий скольжения в вер­ шине незавершенного двойника такой процесс более вероятен.

Реален и третий, динамический, вариант. Согласно этому варианту [57—59, 68], предполагается излучение быстрым двой­ ником волн напряжений, способных при отражении от препят­ ствия преобразовываться в волны растяжения и давать при этом микротрещины. Барьером могут служить другая двойниковая прослойка, поверхность образца или иной фазы с резко отлич­ ным акустическим сопротивлением. Такого рода явления (рис. 1,л) должны резко увеличивать эффективность двойникования как механизма зарождения микротрещин.

Вместе с тем вопрос о связи двойникования и разрушения нельзя считать однозначно установленным. Соотношение между этими явлениями, по-видимому, зависит от материала и от на­ гружения.

9.ВОЗНИКНОВЕНИЕ МИКРОТРЕЩИН НА ПОВЕРХНОСТЯХ РАЗДЕЛА

Несмотря на неоднократно наблюдавшееся благоприятное влияние свободной поверхности на процесс зарождения микро­ трещин, природа этого явления неясна в достаточной степени. Если не учитывать сил поверхностного натяжения, то при уста­ новлении связи пластической деформации с микротрещинами на поверхности необходимо, очевидно, принимать во внимание следующее.

При отсутствии поверхностных пленок нет достаточно надеж­ ных барьеров для практически беспрепятственного выхода по­ лосы скольжения на свободную поверхность. Во всяком случае для первых или немногих полос. Процесс несколько осложняется в случае множественного скольжения, когда возможно взаимо­ действие между линиями скольжения. В этом случае "можно

23

представить себе формирование на поверхности сложного рель­ ефа, геометрически имитирующего в отдельных участках тре­ щину (рис. 1, м).

С выходом полосы сдвига на поверхность, согласно Марчу 160], создается концентратор напряжений и микроразрушение становится возможным вследствие взаимодействия упругих по­ лей от системы ступеней (рис. 1, я).

Если поверхность кристалла не свободна и покрыта какимлибо слоем, в частности хрупким, выход полосы скольжения к границе затруднен, сопровождается скоплением дислокаций и ведет к надрыву этого слоя [61]. Возникшая микротрещина спо­ собна далее прорастать внутрь самого кристалла (рис. 1 , а).

Межкристаллитное сочленение — потенциальный очаг заро­ ждения микротрещин. Нет никакого сомнения в том, что их воз­ никновение представляет собой результат взаимодействия гра­ ницы с атакующими ее полосами скольжения. Однако структур­ ные особенности этого конфликта могут быть различными.

Прежде всего, возможность возникновения микротрещины •определяется свойствами самой границы, в частности ее разориентировкой и видом (винтовая, краевая или смешанная). Физические основы этого непонятны. Дело в том, что, согласно Стро, заторможенное барьером скопление дислокаций создает упругое поле, нормальные напряжения в котором оказываются максимальными в направлении, составляющем примерно 70° -с полосой скольжения. Этому же направлению отвечают мини­ мальные касательные напряжения. Казалось бы, что именно в указанном направлении и должна развиваться микротрещина. Вместе с тем в действительности это происходит далеко не все­ гда. Некоторые отклонения от схемы Стро можно понять, учитывая пригодность анализа Стро для изотропной среды, ани­ зотропию сопрягающихся кристаллитов, а также способность их к разрушению по ограниченному числу избранных плоскостей.

Однако ряд явлений вообще не поддается объяснению с при­ влечением этой схемы и требует выяснения природы и прочности самого межкристаллитного сочленения.

Рассмотрим в связи с этим результаты, полученные Джон­ стоном [62]. Он наблюдал образование трещин при выходе Hi. межкристаллитную границу отдельного сдвига. Объектом иссле­ дования служили бикристаллы MgO, деформированные при ком­ натной температуре. Ориентация начальной трещины по отноше­ нию к исходной полосе скольжения изменялась в широких пре­ делах в зависимости от вида напряженного состояния и степени разориентации зерен. Зародившись у конца полосы скольжения, трещина развивалась вдоль границы или распространялась в зерне. Основные варианты ориентации микротрещин приве­ дены на рис. 1, п—п'" Отмечается, что наличие сжимающей компоненты напряжений поперек границы делает возможным

24

образование микротрещин лишь для случая широкоугловых гра­ ниц, в то время как при растяжении возникновение трещины возможно и в случае меньших углов, порядка 10°. По мнению Джонстона, «независимо от природы начальной трещины, т. е. от того, распространяется она по границе или через тело зерна, трещина оказывается расположенной на тупой стороне угла, образованного пересечением полос — при растяжении и на острой стороне — при сжатии».

Оказалось, что при разориентировке, меньшей 5°, зарожде­ ние трещин исключено. В случае границ, расположенных под углами 5—20°, винтовые дислокации проходят беспрепятственно, а краевые блокируются, в результате чего создаются микротре­ щины во втором зерне. При широкоугловых границах микротре­ щина вскрывается в самой границе. Результаты этой работы приведены в табл. 1.

Джонстон [34] рассмотрел напряжение зарождения трещины в окрестностях границы при выходе на нее полосы скольжения. Экспериментально было найдено

а = а0 + Л ^ 1/2

где сто — напряжение расположенных дислокаций;

L — расстояние между границей зерна и первичным источ­ ником полосы скольжения.

25

Теоретическая оценка привела к соотношению, подобному приведенному выше:

Здесь ,ат — теоретическая прочность сцепления материала; h — ширина полосы скольжения;

К— постоянная, определяющая локальную концентра­ цию напряжений.

Из уравнения следует, что определяющую роль играет проч­ ность самого межкристаллитного сочленения \ат/К.

В. М. Финкель, 3. А. Масловская, Н. К. Дорошенко и В. В. Вахонин [63, 64] при изучении прорыва дислокационных скоплений сквозь суб- и межкристаллитные границы в широком диапазоне разориентировок обнаружили, что чистые малоугло­ вые границы в кристаллах LiF и NaCl проницаемы и не могут служить барьером, способным затормозить полосу скольжения, а следовательно, создать условия для образования микротре­ щин. Последние могут возникать лишь на винтовых границах при угле разворота 25° и больше и краевых дислокациях в скоп­ лениях. На краевых границах, имеющих указанные и большие углы разориентировки (до 40—45°), трещины не возникали.

Вествуд [65] показал возможность возникновения зародыше­

скоплений встык трещины не возникают. Они растут внутрь зерна по (100) и (110). Когда трещины достигают полосы сколь­ жения, последняя начинает двигаться от границы.

Для образования трещины на границе необходимо взаимо­ действие двух групп дислокаций, расположенных на расстоянии 2—11 мкм одна от другой. При этом второе нагромождение дис­ локаций может быть следствием первого. Образование трещин в этом случае — кооперация двух систем дислокаций в полосах скольжения.

Аллен и др. [66] при электронномикроскопическом исследо­ вании железной фольги обнаружили небольшие трещины по границам зерен в тех участках, где дислокационные стенки вы­ сокой плотности совпадали с границами. Эти результаты близки к механизму Пресланда и Хатчинсона [67] о зарождении микро­ полости при взаимодействии границы зерна с субграницей

(рис. 1, с) .

Джифкинс, Чен и Мэчлин [69, 30, стр. 593] предложили дру­ гой механизм нарушения сплошности в районе границы. Они предположили совместное скольжение в матрице зерна и по гра­ нице, в результате которого расползается микрополость по межкристаллитному сочленению. Вообще говоря, этот механизм

26

предложен для условий ползучести, при которых мыслимо до­ статочно существенное проскальзывание по границе. Учитывая точку зрения В. М. Розенберга [70] о том, что скольжение по границам контролируется внутриматричным скольжением, можно ожидать проявления этого механизма и в условиях, достаточно далеких от условий высокотемпературной ползучести. Действи­ тельно, В. Ф. Гайдученя, Д. В. Лебедев и Б. В. Молотилов [71} при растяжении кремнистого железа при —196° С наблюдали образование трещины по границе зерна вследствие внутрикристаллитного скольжения. Следует отметить, что при изучении поведения границ необходимо иметь данные о содержании при­ месей в них, поскольку перераспределение примесей в окрестно­ стях границы и в ней самой может оказаться решающим факто­ ром, способным коренным образом менять механизм разру­ шения.

Для технически чистых и двухфазных материалов характерен тривиальный механизм зарождения разрушения — возникнове­ ние микротрещины в хрупкой составляющей. Исходным момен­ том в этом случае служит незавершенный сдвиг в матрице. Барьером для возникновения дислокационных скоплений [72] может быть неметаллическое включение. Кроме того, ряд иссле­ дователей неоднократно наблюдал образование дислокационных источников на неметаллических включениях и выделениях [73— 77]. Таким образом, вокруг включения и в нем самом воз­ можны весьма значительные напряжения, существенно превы­ шающие те, которые можно было бы ожидать, исходя из чисто упругой задачи.

В этих условиях хрупкое неметаллическое включение, атако­ ванное серией незавершенных сдвигов или двойников, способно разрушиться (рис. 1,г). В дальнейшем из-за потери сплошности трещина может перейти в матрицу. Укажем в связи с этим на работы Герленд и Плато [78], Бенкса [79] и Барнби [80].

Какой из перечисленных механизмов можно считать пред­ почтительным в случае технических поликристаллических мате­ риалов? Недвусмысленный ответ содержится в работе Мак-Ма- гона и Коэна [81], которые исследовали железо, растягиваемое со скоростью 0,03 минг1при температурах —195° С и комнатной. Определяли количество микротрещин, обусловленных одним из приведенных ниже механизмов:

1)блокировкой полос скольжения барьерами типа дисперс­ ных выделений и границ зерен или другими полосами сколь­ жения;

2)пересечением механических двойников;

3)растрескиванием хрупкой второй фазы.

Установлено, что максимальное число микротрещин образу­ ется при температурах ниже перехода вязкость — хрупкость, причем большинство — на участке деформационного упрочнения.

27

Г Л А В А II

РОСТ ДОКРИТИЧЕСКИХ ТРЕЩИН

Не стану воспевать, шлифуя стих скрипучий, Архитектонику неведомых миров, С великих тайн срывать их вековой покров,

Спускаться в пропасти и восходить на кручи. Не живописи блеск, не красоту созвучий, Не выспренний предмет ищу для мерных строф. Лишь повседневное всегда воспеть готов. . .

Жоакен дю Белле

Что-то не знаю: спят или дремлют силы. . .

Новелла Матвеева

1. ФИЗИКА ДОКРИТИЧЕСКОГО ПОДРАСТАНИЯ МИКРОТРЕЩИН

Установившейся является точка зрения [84, 85], согласно ко­ торой процесс разрушения состоит из двух стадий: докритической и закритической. На первой из них протекает пластическая деформация, ведущая к зарождению [86, 87, 102] и медленному вязкому подрастанию микротрещин.

В экспериментальном отношении докритический рост трещин, по видимому, наиболее прост для регистрации (по сравнению с зарождением и лавинным ростом), поэтому имеется относи­ тельно много работ по этому вопросу.

Р. И. Гарбер с сотр. [88—91] подробно рассмотрел образова­ ние субмикроскопических неоднородностей при пластическом деформировании кристаллов. Использование ультрамикроскопии при деформировании каменной соли позволило установить воз­ никновение в плоскостях спайности зародышевых трещин раз­ мером до 0,5 мкм. При последующем деформировании эти де­ фекты, дислоцированные преимущественно вблизи поверхности и имеющие форму чечевицы, подрастали до 3—5 мкм. Дальше трещины развивались в глубь образца неравномерно и в направ­ лении с наибольшей концентрацией дефектов. В процессе дис­ пергирования и восстановления контактов между микроблоками при пластической деформации были обнаружены неоднородно­ сти— локальные разрывы, способные в определенных условиях к зарастанию.

Микроскопические трещины, возникающие при пластической деформации алюминия, изучал В. А. Павлов [92]. В. С. Куксенко, А. И. Слуцкер и А. А. Ястребинский [93] с помощью мало­ углового рассеяния рентгеновских лучей, зарегистрировали появ­ ление субмикроскопических упруго раскрывающихся трещин

29

при высокоэластичном растяжении полиметилметакрилата, нит­ роцеллюлозы и полистирола.

Выполнено много прямых и косвенных электронномикроско­ пических исследований ранних стадий докритического разруше­ ния микрообластей. Приведем результаты некоторых из них.

И. А. Одинг и Ю. П. Либеров [95, 96], используя методику угольных реплик, обнаружили появление микротрещин разме­ ром 10—50 нм (100—500 А) при остаточном удлинении всего 7—9%, т. е. задолго до окончательного разрушения; наступив­ шего при деформации 45%'. Увеличение удлинения до 10% со­ провождалось существенным ростом микротрещин, ширина ко­ торых достигала 90 нм (900 А). Все наблюдавшиеся трещины возникали в результате встречи полос скольжения с границами зерен.

В. П. Северденко, Э. И. Точицкий, В. И. Елин [97] провели прямое электронномикроскопическое исследование на просвет фольг толщиной 60^-80 нм (600—800 А). Скачкообразному про­ движению трещины предшествовало в их случае образование зоны микротрещин. Распространение основной трещины пред­ ставляло собой результат слияния мелких, ей предшествовав­ ших. Определяющую роль в образовании системы микротрещин играла пластическая деформация перед трещиной.

Форсайт и Вильсон приводят [98] результаты непосредствен­ ного наблюдения разрыва алюминиевых фольг и фольг сплава алюминия с 4% Со в просвечивающем электронном микроскопе. Дислокации излучаются вершиной трещины и способны переме­ щаться по относительно малому числу плоскостей скольжения. Их зарождение связано с границами зерен, краями фольги и ча­ стицами второй фазы.

Деформация и разрушение монокристальных пленок золота высокой прочности внутри электронного микроскопа выполнены в работе [94]. Пленки толщиной 40—60 нм (400—600 А) с ори­ ентировкой [111] получали осаждением паров золота на под­ ложке серебра, растворяемой затем в азотной кислоте. Величину деформации, производимой внутри электронного микроскопа, контролировали. После того как упругая деформация дости­

гала 2%, следовало разрушение по направлениям [НО], [101],

[011]. Вдоль «берегов» трещин обнаружены следы пластической деформации. Перемещения дислокаций впереди трещины не на­ блюдалось, что, вероятно, связано с весьма высокой их плот­ ностью. Высокая прочность пленки, по мнению авторов, объяс­ няется отсутствием источников Франка—Рида.

Усталостные трещины в искаженных зонах, образованные в результате слияния мелких зародышевых микротрещин, заре­ гистрированы в работе [99]. Франкль [100] с помощью просвечи­ вающей электронной микроскопии установил существование

30

ровалось с помощью эмиссионной электронной микроскопии. На проволочных образцах при увеличении 400 удалось наблю­ дать трещины длиной порядка 10-2 мкм. Особая чувствитель­ ность метода к трещинам объясняется предпочтительной эмис­ сией с острых краев микротрещины.

Приведенные выше примеры свидетельствуют о связи между подрастанием субкритических трещин и пластической деформа­ цией. Эта связь не носит случайного характера и отражает то обстоятельство, что пластическая деформация не только контро­ лирует процесс, но, по-видимому, служит его основной движу­ щей силой. Во всяком случае, если исходить из чисто упругой модели, то очевидна неспособность микротрещины к подраста­ нию, когда ее размеры меньше критических по Гриффитсу. Ос­ новные работы в этом направлении выполнены Стоксом, Ли, Джонстоном, Кларком и Сэмбелом, Тетерселлом, Бобрико­ вым [103—105, 30, стр. 96].

Стокс и Ли обдували поверхности монокристалла теллура порошком карбида кремния. Образующиеся при этом микротре­ щины получали возможность роста при дальнейшем растяжении образца. Был установлен анизотропный характер движения ми­ кротрещин в направлениях, определяемых пластической дефор­ мацией. Из этого исследования прямо следует ведущая роль пластического течения в докритическом росте субмикротрещины.

Кларк и Сэмбелл создавали в кристаллах MgO поверхност­ ные трещины размером 10~4 см. При напряжениях 0,6 а0 начи­ налось скольжение и обусловленное им медленное движение микротрещин. По достижении критического размера развивался лавинный рост.

Подрастание трещины происходит под действием напряже­ ний от двух пересекающихся плоскостей скольжения, если об­ ласть их взаимодействия достаточно близка к зародышевой мик­ ротрещине. Кроме того, пересечение плоскостей скольжения пре­ пятствует выходу дислокаций на поверхность кристалла, спо­ собствуя образованию дислокационных скоплений и напряжений впереди растущей трещины. Киносъемка с последующим микро­ скопическим наблюдением позволили установить движение мицротрещин при напряжениях, существенно более низких, чем гриффитсовские, и подрастание микротрещин только на тех по­ верхностях, на которые выходят полосы скольжения.

Стокс и Ли суммируют сказанное следующим образом: за­ рождение хрупкого’ разрушения связано с развитием микротре­ щин, которое происходит анизотропно вдоль направления [100], перпендикулярно вектору Бюргерса активной системы сколь­ жения. Скорость микротрещин определяется ориентацией

31