книги / Разрушение твердых тел

противоречия здесь нет, если учесть, что источники дислокаций в плоскостях поперечного скольжения могут стать активными лишь в результате совместного действия на эти источники приве­ денного напряжения от приложенных сил и от дислокаций, дви­ жущихся в плоскости первичного скольжения. Исходя из этого, можно считать, что система 'поперечного скольжения может быть действительно второй предпочтительной среди многих других ори­

ентаций. Аргументация этого положения приведена в работе Эвери и других.

Окончательный результат такого активируемого напряжени­ ем поперечного скольжения такой же, как и разнообразных тер-

мически активируемых переходов дислокаций из одной плоско­ сти в другую, но здесь уже не требуется переход отдельных дислокаций из первичной системы скольжения в плоскости по­ перечного скольжения. Вместо этого петли дислокаций, движу­ щиеся в обеих системах скольжения, могут взаимно аннигилиро­ вать при встрече в месте персечения плоскостей первичного и вторичного скольжения, в результате чего вблизи «угла» (линии пересечения систем скольжения) образуются ступеньки, как это показано на рис. 12,6. Однако при этом явным образом не учи­ тывается энергия дефектов упаковки; это приводит к заключе­ нию, что по мере повышения прочности кристалла активируется все меньшая часть источников поперечного скольжения и поэто­ му в кристаллах сплавов следы поперечного скольжения встре­ чаются реже, но должны быть более четко выраженными. Даль­ нейший анализ показывает, что поперечное скольжение может происходить на начальных стадиях упрочнения мягких кристал­ лов, но не может быть выявлено из-за того, что оно является тонким и его распределение имеет диффузный характер. Инте-

ресно также отметить, что скорость развития экструзий по поло­ сам скольжения в монокристаллах меди изменяется приблизи­ тельно пропорционально напряжению в системе Поперечного скольжения. Это указывает на возможность активации под дей­ ствием напряжения источников в плоскости Поперечного сколь­ жения {40].

Поперечное скольжение может действовать на весьма раннцх стадиях усталости, поэтому оно не может быть достаточным ус­ ловием для быстрого зарождения прерывистого скольжения. Трещины могут располагаться вдоль этой плоскости поперечного скольжения (как будет показано ниже), и это могло бы быть необходимым условием развития обычной усталости, однако за­ рождение трещин (даже при отсутствии динамического возвра­ та) также начинается значительно раньше, чем образование полос скольжения или быстрое изменение рельефа поверхности. Это положение следует увязать с многостадийным характером упрочнения. При этом представления о I и II стадиях деформа­ ции при растяжении не изменяются, за исключением необходи­ мости учета добавочного, активируемого напряжением, попереч­ ного скольжения; однако переход от стадии II к стадии III можно теперь связать с тем, что скользящие в поперечной си­ стеме дислокации начинают перерезать препятствия в этой плос­ кости, возникшие при быстром упрочнении — на стадии II. Пере­ резание препятствий становится возможным в результате дейст­ вия напряжения и термических флуктуаций и должно приводить к последней стадии (низкого) упрочнения — динамическому возврату. Интересно отметить, что при перерезании активиру­ емый объем должен быть меньшим, чем в случае обычно рас­ сматриваемой рекомбинации (стягивания) дислокаций, пред­ шествующей поперечному скольжению. Таким образом, сравни­

грамм деформации, должны быть соответственно уменьшены {60]. Очевидно, что в кристаллах сплавов, содержащих более 2% А1, даже в случае активируемого напряжением^ поперечного скольжения постепенно развивается неправильный рельеф от

беспорядочного скольжения.

При этом, как это можно видеть из серии снимков, сделан­ ных с кристаллов сплава меди с 7,5% А1 (рис. 13), преобладают следы первичного скольжения, но фиксируются и следы перехода от первичного к поперечному скольжению. В конечном счете в области довольно тупых «надрезов» (интрузий), образующих­ ся при циклическом скольжении (см. рис. 2), вдоль плоскостей первичного и поперечного скольжения начинают зарождаться трещины. Однако трудно отличить области, где происходит за­ рождение трещин, от других областей, в которых отсутствуют

164

благоприятные условия для деформации путем легкого скольже­ ния в связи с возрастанием скрытого упрочнения, ограничиваю­ щего возможности развития вторичного скольжения (отличного от поперечного скольжения) и образования барьеров (48); соот­ ветственно, динамический возврат должен быть незначительным, так же как не должно быть и сильной локализации поперечного скольжения, с которой, как можно предполагать, связаны раз­ личные механизмы «прерывистого» типа. Б то же время разли­ чие между плоскостями первичного и поперечного скольжения должно быть несущественным; можно считать, что плоскости по­ перечного скольжения образуют сплошную складчатую поверх­ ность, создающую следы сетчатого типа на поверхности кри­ сталла; появления трещин можно ожидать по любой по­ верхности.

Зарождение трещин в результате скольжения также нашло подтверждение в двух результатах упомянутых ранее опытов, проведенных на кристаллах сплава Си + 6% А1, у которых на­ правления первичного (и поперечного) скольжения совпадают с поверхностью максимальных напряжений. Число циклов инку­ бационного периода, во время которого не происходит зарожде­ ния трещин, возросло примерно в 16 раз, по сравнению с кри­ сталлами обычной ориентации. Кроме того, на поверхности вы­ являлись лишь следы скольжения по критической и сопряженной плоскостям, даже после того, как поверхность образца покрылась складками; при этом следы первичного скольжения выявляли по изменению наклона неровностей поверхности. Возможно, что дли­ на первичного направления (грубо говоря — ширина кристалла) ограничивает скольжение в этой системе, в результате чего вто­ ричная система скольжения вначале становится активной, а за­ тем по ней развивается скрытое упрочнение, препятствующее продолжению скольжения по первичной системе.

Степень и характер чувствительности к действию промежу­ точного повышения напряжения при усталости также позво­ ляет найти различие между процессами скольжения, в зависи­ мости от содержания алюминия. В чистых монокристаллах меди (быстрое зарождение трещин) наложение знакопеременного закручивания в перерыве испытания на усталость приводит к бы­ строму (мгновенному) повышению изгибающего момента при продолжении циклического нагружения и последующему посте­ пенному падению его (рис. 14, а). Это деформационное разупроч­ нение можно объяснить динамическим возвратом, возникающим в результате термически активируемого поперечного скольже­ ния; этот тип скольжения нужен для направленного зарождения трещин. Однако в сплаве, содержащем 6% А1 (замедленное за ­ рождение трещин), промежуточное закручивание приводит к упрочнению (рис. 14,6), что не согласуется с теорией активно­ сти прерывистого скольжения.

166

скольжения. В зернах на поверхности образца степень стеснен­ ности деформации меньше, чем в расположенных в объеме; она также ослабевает и от границы зерна к его середине. В резуль­ тате этого отдельные зерна, а особенно — границы зерен, долж­ ны быть местами высокой локальной пластической деформации и напряжений; другое важное обстоятельство состоит в том, что упрочнение, вероятно, может достаточно свободно развиваться на стадии III, несмотря на низкую энергию дефектов упаковки. Два последних фактора совместно и определяют, по всей веро­ ятности, независимость процесса зарождения трещин от энергии дефектов упаковки; всем сплавам исследованной серии свойст­ венно поведение, характерное для чистой меди.

Изменения рельефа поверхности также аналогичны для по­ ликристаллов всех сплавов, но отличаются от изменений у моно­ кристаллов. В первом случае обычно образуются характерные для усталости полосы скольжения с интрузиями и экструзиями (рис. 16). Иногда встречаются толстые пакеты экструзий с плос­ кими краями, расположенные вдоль следов первичного и попе­ речного скольжения; кроме того, характер пересечения систем скольжения указывает на согласованное действие источников скольжения. Вдавливание алмазного индентора Кнупа в поверх­ ность образца дает на гранях отпечатка эффект, сходный с эф­ фектом клинового шлифа. Одна из таких картин приведена на рис. 16 и напоминает чистую медь [32, 33]. В многочисленных исследованиях наблюдались разнообразные виды деталей рель­ еф а— от тесно связанных бороздок скольжения до ведущих к разрушению экструзий по полосам скольжения. Однако величи­ на неровностей рельефа не имеет решающего значения для кине­ тики зарождения трещин: трещины могут быть найдены на лю­ бом участке.

Во всех материалах также весьма заметны двойники отжига и границы зерен, причем трещины либо идут по границам зерен, либо расположены весьма близко к ним. Многие исследователи обнаружили склонность границ зерен к образованию усталост­ ных трещин [28, 61—66]. Вероятно, в результате упрочнения узкие приграничные зоны вскоре приближаются к насыщению, развиваются бороздки скольжения и начинается образование трещин. На рис. 17 показаны примеры ранней локализации скольжения и конечного образования трещин. В сплавах, содер­ жащих не более 2% А1 (т — 20 мдж/м2), трещины располагают­ ся по границам зерен; в высоколегированных сплавах трещины приобретают более выраженные кристаллографические направ­ ления, хотя также часто примыкают к границам. Причины тако­ го различия можно искать в повышенной тенденции низколеги­ рованных сплавов к образованию субструктур, что и приводит* в свою очередь, как будет рассмотрено ниже, к росту трещин. Можно провести определенную параллель между усталостью и

168