книги / Разрушение твердых тел

При исследовании многих трещин не было обнаружено ни одно­ го случая предварительного образования обособленных микро­ трещин; пример показан на рис. 22,6.

На основании результатов описанных опытов можно сделать два вывода:

1.Образование субзерен само по себе не является достаточ­ ным условием для развития усталостных трещин в алюминии; для зарождения трещин по субграиицам необходимо наличие свободной поверхности, хотя специфическая роль поверхности здесь менее ясна, чем в более четко выраженном случае разви­ тия трещин по плоскостям скольжения.

2.Развитие трещин под поверхностью происходит в резуль­ тате раскрытия границ субзерен или границ зерен, непосредст­ венно прилегающих ж вершине трещины, а не в результате само­ стоятельного дискретного зарождения и последующего слияния трещин, «ак это предполагал Холден [24].

Довольно трудно сделать какое-либо заключение относитель­

но возможности применения критерия критического напряжения, рассмотренного Холденом [24], для случая развития трещин по субграницам.

Другая возможность, рассмотренная в статье Холдена [24], заключается в том, что субструктура является причиной образо­ вания непродвигающихся усталостных трещин. В частности, предполагалось, что образование трещин вызывается напряже­ ниями, развивающимися в результате удовлетворения условий совместимости при переходе пластической деформации через сильно искаженные субграницы. Так, трещина не будет продви­ гаться, если пластически деформированный объем в области ее вершины находится целиком в пределах одного субзерна. Исхо­ дя из того, что даже при самых тщательно контролируемых опы­ тах на монокристаллах наблюдается большое число зарождаю­ щихся, но не развивающихся далее трещин, можно считать изложенную идею вполне удовлетворительной. Большая роль субграниц в развитии трещин дает еще одно подтверждение существования корреляции между энергией дефектов упаковки и скоростью роста трещин, установленной в работах Фроста [26]; результаты исследования на усталость при пульсирующем рас­ тяжении надрезанных образцов различных материалов, в кото­ рых энергия дефектов упаковки изменяется от высокого значе­ ния для алюминия до низкого значения для аустенитной нержа­ веющей стали, показывают, что образование субструктуры при понижении энергии дефектов упаковки затрудняется параллель­ но с уменьшением скорости развития трещин.

Накопление данных относительно образования субструктур при усталости подсказывает еще одну интересную теорию. Впол­ не возможно, что тенденция к образованию субструктур влияет на величину изменений рельефа поверхности образца, которые

181

необходимы для образования зародышей трещин и должны про­ изойти до того, как может быть рост трещин. Описанные экспе­ рименты Чина [78] показывают, что при хорошо развитой суб­ структуре большие изменения рельефа совершенно не обяза­ тельны для развития трещин. Железо также склонно к развитию субструктур [24, 30] и деформируется карандашным скольжени­ ем. В то же время случаи появления мощных экструзий и интру­ зий в железе, испытанном на усталость, весьма редки [63]. Воз­ можно, что в данном случае этот эффект (возникновение суб­ структуры) ведет к тому, что образование зародышей трещин может происходить лишь при умеренных искажениях поверхно­ сти, например в области внутренних несплошностей (поверхно­ стей раздела матрица — включение), или у других мало стеснен­ ных поверхностей. Вероятно, результаты многих наблюдений подповерхностных трещин, часто используемые как аргумент против необходимости наличия свободной поверхности для обра­ зования трещины, могут быть объяснены на этой основе.

Опыты на системе Си—А1

Из рис. 17 ясно вытекает четкая зависимость скорости роста трещин от энергии дефектов упаковки в поликристаллических сплавах, изучавшихся в данной работе. Для подтверждения той мысли, что уменьшение долговечности связано с повышени­ ем энергии дефектов упаковки, но никоим образом не с умень­ шением напряжения течения в сплавах с пониженным содержа­ нием алюминия, дальнейшие эксперименты были проведены на сплаве С и + 8% Ni, имеющем зерно того же размера. Энергия дефектов упаковки в этом сплаве будет несколько выше, чем у меди, в то время как напряжение течения было близко к напря­ жению течения сплавов с высоким содержанием алюминия. Дол­ говечность этого сплава была ниже, чем у меди, откуда следует, что энергия дефектов упаковки действительно является основ­ ным определяющим параметром.

Доказательства существования субструктур в поликристал­ лах Си — А1 ограничивались наблюдением дебаевских колец на рентгенограммах, получаемых с поверхностей образцов из спла­ вов меди с содержанием алюминия 2% или менее, доведенных до усталостного разрушения. Некоторые результаты измерений колец приведены на рис. 15. У монокристаллов дебаевские коль­ ца были получены лишь на чистой меди; в этом случае связь их с субструктурой была очевидной и непосредственной, так как субзерна хорошо выявляются в области расположения трещин,

182

шения монокристаллов чистой меди. Трещина развивается в глу­ бину в областях, где активные плоскости скольжения являются плоскостями первичного и поперечного скольжения, а период от зарождения трещины до разрушения образца увеличивается примерно в 2,5 раза, по сравнению с долговечностью чистой меди. Травление выявляет лишь прямолинейные кристаллогра­ фические следы скольжения. Пятна Лауэ для кристалла S8 после 8* 105 циклов нагружения не выявляют признаков суб­ структуры.

Вид трещин аналогичен получаемому при коррозионном рас­ трескивании под напряжением и, следовательно, может быть

Рис. 26. Схема возможных механизмов прерыви­ стого скольжения, связанных с образованием окислов на ступеньках скольжения:

а — в первую четверть цикла действует плоскость а — а \ тогда как скольжение по плоскости б — б' требует затя­ гивания частиц оксидов на плоскость скольжения; б — при обратном знаке напряжения действует плоскость б — б', так как частицы окислов, только что образовав­ шиеся по а — а', препятствуют скольжению в обратном

направлении

связан с воздействием среды. Сванн и Наттинг [85] недавно вы­ сказали предположение о том, что чувствительность к образова­ нию трещин в результате коррозии под напряжением должна возрастать с понижением энергии дефектов упаковки. Сходные данные вытекают из результатов опытов Водсворта и Хатчингса [86], проводивших испытание на усталость при постоянном на­

же время на долговечность химически инертного золота вакуу­ мирование не оказало влияния. Уже высказывалось предположе­ ние о том, что образование окислов на только что возникших ступеньках скольжения способствует образованию трещин по плоскостям скольжения, так как частицы окислов под действи­ ем циклической деформации затягиваются внутрь кристалла [87]. Как схематично показано на рис. 26, прерывистое скольжение может, по-видимому, также зависеть от окисления. Можно ожи­ дать, что в сплаве с низкой энергией дефектов упаковки и интен-

184

где N — число циклов полностью обратимей деформации до раз­ рушения;

К — постоянная; Дер — постоянная величина пластической деформации за цикл.

Типичные результаты представлены ца рцс. 27 Я логарифми­ ческих координатах [82]; здесь разрушающая деформация при «статическом растяжении отнесена к N *= lU. Весьма замечатель­ но практически полное совпадение результатов длЯ материалов со столь сильно различными энергиями дефектов упаковки, та­ ких, как алюминий и нержавеющая сталь. Было предложено

Рис. 27. Диаграммы усталости согласно представлениям Коффина [821.

1 — алюминиевый сплав (24S-T); 2 — алюминий (2S); 3 — нержавеющая сталь типа 347

-большое число теоретических обоснований этого факта [24, 35, 1]. Однако рациональное объяснение, вероятно, должно быть осно­ вано на том что уже на ранних стадиях развития пластической деформации ее распределение столь грубо по сравнению с атом­ ными процессами скольжения, что частные усталостные харак­ теристики отдельных кристаллов не играют роли и выводы, по­ лученные на пластилине, оказываются вполне приемлемыми для определения величины развития трещины за каждый цикл за­ данной макроскопической деформации.

Коэффициент наклона кривой усталости—7г с уменьшением энергии-дефектов упаковки и при наличии соответствующих по­ верхностных пленок может приблизиться к нулю в монокристал­ лах и, возможно, даже в крупнозернистых поликристаллах. Од­ нако это имеет меньшее значение для практики, чем данные, при­ веденные на рис. 27. Основным и очевидным способом увеличе­ ния долговечности является уменьшение амплитуды пластиче­ ской деформации, которое может быть осуществлено различны­ ми способами, включая повышение резкого предела текучести,

186

«если это может быть достигнуто [59, 45]. Контроль, среды и состоя­ ния поверхности — другой возможный путь снижения скорости роста трещин, который иногда может получить практическое зна­ чение. Определенные возможности могут быть также найдены в области управления такими важными для зарождения и роста трещин характеристиками материала, как энергия дефектов упа­ ковки; в условиях малых амплитуд деформации и весьма боль­ ших долговечностей, где приложимость закона Коффина неясна, можно рассчитывать на этот путь. Как было отмечено выше, ар­ гументы для всей области усталости (область В на рис. 21) одинаковы. Конечно, возможности управления процессом уста­ лости на основе выбора и изменения материалов и микрострук­ туры еще не исчерпаны, однако новые пути не вполне ясны и нет уверенности, что они дадут столь же эффективные результа­ ты, что и направления, введенные недавно на основе теоретиче­ ских представлений [11].

Выводы

Различие между процессами зарождения и роста трещин можно считать подтвержденным, хотя оно выявляется и не всег­ да четко. Зарождение трещин с физической точки зрения являет­ ся в основном поверхностным процессом и требует наличия свободной или незначительно стесненной для деформации по­ верхности и приводит к развитию изменений рельефа поверхно­ сти, создающего более или менее притупленные бороздки, из которых затем развиваются трещины. Зарождение трещин мо­ жет происходить либо медленно — под действием беспорядочно­ го скольжения, либо быстро — по механизму прерывистого (од­ ностороннего) скольжения с участием поперечного скольжения. В экспериментах, проведенных на твердых растворах алюминия в меди, показано, что снижение энергии дефектов упаковки в монокристаллах способствует развитию скольжения по одной системе, без образования барьеров и, таким образом, приводит к медленному образованию статистически распределенных заро­ дышей трещин. Энергия дефектов упаковки не оказывает влияния на зарождение трещин в крупнозернистых поликристаллических образцах, так как у барьеров наблюдается развитие попе­ речного скольжения (обеспечивающего функционирование ме­ ханизма прерывистого скольжения) под действием напряжения, вероятно, без участия термической активации; инкубационный период в поликристаллических сплавах меньше, чем в монокри­ сталлах, примерно на порядок величины.

Рост трещин зависит от энергии дефектов упаковки. В поли­ кристаллах сплавов Си — А1 интервал между обычно наблюда­ емым зарождением трещины и окончательным разрушением об­ разца возрастает примерно в 40 раз при переходе от чистой меди (у « 40 мдж/м2) к сплаву Си + 7% А1 (у « 2 мдж/м2). Такое

187