ухудшаются прорабатываемое^ материала при операциях ковки и прокаливаемость при термообработке из-за наличия обратной зави­ симости между массой заготовки и скоростью ее охлаждения.

2.5. ПРОЧНОСТЬ И ДЕФЕКТЫ

Природа и механизм действия дефектов, определяющих реальную прочность материалов. Концентрация напряжений у конца трещин может поднять местные напряжения, приблизив их к теоретической прочности.

Однако говоря о дефектах, определяющих реальную прочность, мы не имеем в виду трещины, заранее присутствовавшие в деталях, например имеющие металлургическую природу (раковины, усадоч­ ные трещины) или технологическое происхождение (сварочные, за­ калочные, ковочные трещины), а также трещины, которые могут появиться в результате работы машины. Такие трещины, несомненно, влияют на прочность, но они могут и совсем отсутствовать, что, од­ нако, не приводит к повышению прочности до теоретического уровня.

Говоря о дефектах, определяющих реальную прочность, следует иметь в виду дефекты атомного строения, без которых реальных материалов не существует. Не останавливаясь на всем многообразии таких дефектов, отметим, что главным из них, снижающим теорети­ ческую прочность металлических материалов до уровня реальной, является дефект строения кристаллической решетки, называемый дислокацией.

Именно дислокации являются основной причиной пластической деформации кристаллических тел. Начавшаяся пластическая дефор­ мация резко затормаживает рост напряжений, которые уже не могут достигнуть теоретического уровня в процессе всей деформации вплоть до разрушения.

Дислокации также резко снижают прочность и при разрушении металлических тел отрывом под действием нормальных напряжений.

Давно замечено, что появление трещин в хрупких металлах под нагрузкой инициируется пластическими сдвигами в объеме микро­ скопических участков. Еще в 1937 г. А. В. Степанов заметил, что при испытании на разрыв образцов из такого хрупкого материала, как каменная соль, предел упругости при изменении температуры опыта всегда лежал ниже предела прочности. Из этого еще тогда был сделан вывод, что появление трещин и последующее разрушение связаны с возникновением пластических сдвигов. С тех пор этот вывод неодно­ кратно получал экспериментальное подтверждение для металлов.

Установлено, например, что при низкотемпературных испытаниях (80 К) малоуглеродистых сталей на растяжение и сжатие разрушаю­

вает на зависимость начала хрупкого разрушения от начала пласти­ ческого течения [7].

Таким образом, при хрупких и полухрупких разрушениях, вы­ зываемых действием нормальных напряжений, прочность металли-

ческих материалов регламентируется присутствием трещин, появле­ ние которых во многих зарегистрированных случаях вызывалось пластическими сдвигами, т. е. действием касательных напряжений.

Роль дислокаций, вызывающих пластические сдвиги, в формиро­ вании реальной прочности подтверждается тем, что кристаллы метал­ лов, выращенные без дислокаций, имели прочность одного порядка с. теоретической. К числу бездислокационных кристаллов относятся также и нитевидные кристаллы железа (d = 1,6 мкм), прочность

трещин размером в несколько межатомных расстояний. Известно более десяти различных механизмов образования дислокационных трещин. Рассмотрим некоторые из них.

1. Механизм образования трещин на модели, предложенной А . Я. Стро. Эта модель хорошо разработана математически. Основ­ ная ее идея заключается в возникновении больших местных напряже­ ний в конце незаконченного (заторможенного) сдвига. При тормо­ жении плоского скольжения дислокаций в голове скопления кон­

в скоплении. При этом возрастают и нормальные напряжения (также пропорционально n). А. Н. Стро вычислил эти напряжения по фор­

Можно полагать, что для разрыва межатомных связей по линии действия сттах(0 = 70,5°) напряжение должно достигнуть теоретиче­ ской прочности. Исходя из этого, оценим число дислокаций п*, необ­

Как указано в п. 2.4, прочность бездефектных нитевидных кри­ сталлов железа составляет 13,4-103 МПа, что может быть приравнено к <ттеор. Для железа (см. табл. 1.3) тх = ткр = 29 МПа, тогда п* «

«13,4-103/(2- 29) = 231.

Таким образом, при <гтеор = 13,4-10* МПа на основании формулы

(2.54) получим п* = 231.

Полученная оценка критического числа п* дислокаций в скопле­ ниях показывает, что механизм образования трещин по модели Стро возможен.

А. Н. Стро рассмотрел и другой механизм. Для зарождения тре­ щин необходимо и достаточно объединение первых двух дислокаций в голове скопления.

Для объединения первых двух дислокаций нужно преодолеть силу их отталкивания на расстоянии х < Ь. Сила отталкивания между двумя одноименными краевыми дислокациями, согласно (1.71),

Это напряжение также находится на уровне теоретической проч­ ности и потребует такое же число дислокаций /г*, как и в первом ва­ рианте.

2. Механизм образования трещин в результате взаимодействия дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения. Согласно раз­ работанной А. X. Коттреллом модели, два скопления краевых ди­ слокаций в пересекающихся плоскостях, встречаясь, тормозятся друг на друге; головные дислокации скоплений сливаются, образуя новую дислокацию с вектором Бюргерса, перпендикулярным к бис­ сектрисе угла между скоплениями. Эта дислокация становится си­ дячей, образуя барьер для движения других дислокаций в скопле­ ниях. Присоединение к этой новой дислокации других из обоих скоп­ лений образует трещину.

В кристаллах с решеткой ОЦК трещины зарождаются при пере­ сечении двух скоплений дислокаций (рис. 2.14) с векторами Бюргерса типа 0,5 (111), лежащими в плоскостях {110}.

Есть основание полагать, что слияние дислокаций из пересекаю­ щихся скоплений будет происходить легче, чем в одной плоскости, вследствие меньших сил отталкивания одноименных дислокаций и большей их концентрации в голове скоплений. Образование трещин по механизму, соответствующему модели Коттрелла, наблюдалось

вэкспериментах.

3.Безбарьерные механизмы образования трещин. К безбарьерным механизмам образования трещин относится, например, вакансион-

ный: цепочки вакансий, образующихся при движении дислокаций со ступеньками, объединяются в плоскую трещину с затупленными краями. Такая трещина достаточно устойчива против захлопывания. Трещина может образоваться при перерезании дислокационной стенки движущимися дислокациями (рис. 2.15).

Попытаемся теперь представить возможные механизмы подрас­ тания трещин от атомных до микроскопических размеров.

1. Если в полосе заторможенного скольжения образовалась дислокационная трещина, то она может развиваться вблизи других дислокационных скоплений того же знака за счет поглощения дисло­ кации, как показано на рис. 2.16.

Рис. 2.14 Рис. 2.15 FHC. 2.16

Теоретически установлено, что при плотности дислокаций р 10е см”2 они способны преодолевать отталкивание берегов трещины

и выходить на ее поверхность, образуя на ней ступеньку. Существуют термофлуктуационные механизмы образования геометрических несплошностей и силовых трещин. Уже говорилось, что вследствие вы­ сокой концентрации напряжений в голове плоского скопления ди­ слокаций перед препятствием возможно слияние головных дислока­ ций с образованием трещины под рядом объединившихся экстрапло­ скостей. В работе [20] показано, что тот же результат достигается при слиянии головных дислокаций путем термофлуктуационного выброса парных перегибов 1 при более низких напряжениях в го­ лове скопления. Энергетический барьер, препятствующий обра­ зованию двойного перегиба и слиянию двух головных дислокаций с образованием зародыша микротрещины длиной в два-три межатом­ ных расстояния не превосходит 2 эВ, а следовательно, может быть преодолим с помощью термической флуктуации. Дальнейшее увели­ чение трещины может происходить путем сваливания в трещину следующих дислокаций с преодолением меньших барьеров (рис. 2.16). Сваливание дислокаций в трещину может оказаться одним из основ­ ных механизмов ее роста при ползучести [31 ].

2.Заглатывание трещиной вакансий можно рассматривать как

элементарный акт подрастания трещины. Объединение вакансий

впору есть элементарный акт образования геометрической несплош­

1В гл. 1 показано, что одним из механизмов движения дислокаций может быть механизм термофлуктуационного выброса парных перегибов дислокаций (см. рис. 1.18).