книги / Разрушение твердых тел

трещин; их исследования проведены на бикристаллах окиси маг­ ния, нагружаемых так, что полосы скольжения, образовавшиеся в одном кристалле, доходили до его границы. Исследуя целую серию образцов с различной разориентацией зерен, авторы уста­ новили, что вероятность зарождения трещины в том месте, где полоса скольжения упиралась в границу зерен, зависит от сте­ пени разориентации в области границ. Для границ с «малой» разориентацией (угол наклона <5°) оказалось, что полосы сколь­ жения, образованные винтовыми и краевыми дислокациями, мо­ гут проходить сквозь границу без образования трещин и просто вызывают скольжение в смежном кристалле. В случае границ «средней» разориентации (5—20°) 9 полосы, образованные винто­ выми дислокациями, проходят сквозь границу, но полосы, обра­ зованные краевыми дислокациями, блокируются, что приводит к зарождению мелких хрупких трещин во втором зерне, в соот­ ветствии с механизмом, рассмотренным Зинером [16] и Стро [17]. Эти трещины можно заметить в отдельных местах на рис. 4. Схе­ ма нагружения была такова, что макроскопическое напряженное состояние характеризовалось сжатием в области границы кри­ сталлов, благодаря чему трещины можно было задержать на стадии их зарождения, не вызывая полного разрушения образца.

связей на границе меньше прочности второго кристалла по пло­ скости спайности. Во всех случаях трещины наблюдались только у блокированных полос скольжения, созданных краевыми дис­ локациями. Полосы, созданные винтовыми дислокациями» либо оканчиваются у границы, либо проникают в соседнее зерно, не вызывая зарождения трещин.

Вероятно, любой из описанных выше механизмов зарождения трещин в монокристалле, может действовать и вызвать образо­ вание трещин в отдельных кристаллах поликристалличес#ого ма­ териала. Возможность или невозможность распространении этих микротрещин в отдельных зернах до полного разрушения агрега­ та определяется степенью трудности перехода трещины в приле­ гающее зерно и ее продвижения там. Эта стадия процесса являет­ ся уже собственно распространением трещины и более подробно будет рассмотрена ниже. В поликристаллических материалах есть два типа процессов зарождения трещин, не овойс'Гвенных монокристаллам. Трещины могут -/Зарождаться и продвигаться по границам зерен; вопросы янтеркристаллитного разрушения будут рассмотрены в отдельном параграфе.

Итак, трещины могут зарождаться при вязком разрУшении (см. раздел о вязком разрушении), после чего характер разру­ шения изменяется на хрупкий. Например, при испытания^ стали на растяжение при последовательно снижающейся темпеРатУРе характер разрушения систематически изменяется от полностью

12

границы, образованные винтовыми дислокациями (границы скру­ чивания), также^ являются источниками ступеней скола, как и при пластической деформации у вершины трещины при пони­ женной скорости развития трещины или при повышенной темпе­ ратуре. Гилмен [23] провел измерения эффективной поверхност­ ной энергии при продвижении трещины в монокристаллах цинка и сплава железа с 3% Si в зависимости от температуры, исполь­

новленным, что величина зерен — важнейший структурный фак­ тор, определяющий сопротивление металла низкотемпературному хрупкому разрушению. Одно из наиболее ранних исследований влияния размера зерна принадлежит Ходжу с сотрудниками [24], которые показали, что температура перехода от вязкого поведе­ ния к хрупкому для образцов железа со стандартным надрезом снижается на 80° С с уменьшением величины зерна от балла 1 до1

1 При очень низкой сходственной температуре (77° К для вольфрама) удавалось (D. H a l l , Р. B e a r d m o r e , А. Р. V a l e n t i n e . Phil. Mag., v. 12, 1965, № 119, р. 1021) наблюдать атомно-плоскую трещину с эффектив­ ной (по Гриффитсу) энергией, равной истинной энергии поверхности. Прим,

ред.

балла 6 по ASTM. Аналогичный эффект влияния величины зерна в настоящее время получен на многих металлах, которые харак­ теризуются низкотемпературным хрупким разрушением [1]. Мож­ но предполагать, что величина зерен влияет на хрупкие разруше­ ние двумя путями. Так как с увеличением зерна 1нозрастает длина пути непрерывного скольжения, возрастает также ивероят­ ность зарождения трещины. Данный аспект хрупкого разруше­ ния широко обсуждался и анализировался, в особенности — Петчем [25], Коттреллом [26] и Стро [17]. Хан с сотрудниками [27] показали, что при испытаниях на растяжение железа температу­

спайности в произвольно ориентированных зернах поликристаллического материала носит весьма сложный характер по срав­ нению с хрупким разрушением монокристалла. Основные прин­ ципиальные выводы, которые могут быть сделаны на основе металлографических исследований хрупкого разрушения поли­ кристаллов, рассмотрены в обзоре Лоу [21]. Когда изменение ориентации при переходе через границу не слишком, велико, фронт трещины при пересечении ею границы не испытывает су­ щественных изменений, если не считать появления больших сту­ пенек скола, возникающих на границе. При большом изменении ориентации возможно возникновение узкой области вязкого раз­ рушения у границы зерен раньше скола; иногда возможно пол­ ностью вязкое разрушение зерна. Имеются также признаки зарождения новой трещины перед фронтом главной трещины и так как эти трещины не находятся в той же плоскости, что и главные, то это приводит к возникновению резко выраженных «линий разрыва» в местах соединения трещин [28].

Все эти наблюдения приводят к тому, что развитие хрупкого разрушения (по плоскостям спайности) должно быть более За_ труднено в поликристаллах, чем в монокристаллах. Далее, так как большинство процессов поглощения энергии связано с гра_ ницами между различно ориентированными зернами, следует ожидать, что с уменьшением величины зерна процесс развития трещин затрудняется

Те же принципы справедливы и для более сложных структур таких как возникающие в сталях в результате термической обра ’ ботки. И действительно, Тёкало [29] показано, что размер ицди_ видуальных фасеток скола (т. е. размер разрушенных зерец) в мартенситных структурах намного меньше, чем в той же стали после термической обработки на структуру бейнита или перЛита Следует ожидать, что такие структурные изменения должны вести к сдвигу в сторону повышения критической температур хрупкости (например, при испытаниях по Шарпи) примерно ва

16

150° С. На рис. 7 и 8 приведены характерные структуры хрупко разрушенных при 78° К образцов в двух различных состояниях. В образце с мартенситной структурой размеры фасеток на по­ верхности разрушения близки к размерам мартенситных игл, в то время как © образце с перлитной структурой поверхности разру­ шения пересекают ряд колоний перлита без отклонений и их величина достигает размера зерна аустенита. Вероятно, что хруп­ кое разрушение всех продуктов распада аустенита определяет­ ся, в первую очередь, ферритом. В высокотемпературных про­ дуктах превращения — перлите и верхнем бейните^скол может развиваться на большие расстояния без перерывов, и отдельные фасетки скола часто пересекают большое число колоний перлита или зерен бейнита. В таких структурах следует ожидать повы­ шения сопротивления хрупкому разрушению лишь при измель­ чении зерен аустенита. С другой стороны, для игольчатых про­ дуктов распада — нижнего бейнита и мартенсита — разрушение, видимо, определяется размерами игл и улучшение свойств может быть достигнуто уменьшением размеров игл мартенсита.

Интеркристаллитное разрушение. При исследовании хрупкого разрушения любого поликристаллического материала важно установить, как происходит хрупкое разрушение: в результате транскристаллитного скола или «разделения» по границам зе­ рен. Интеркристаллитные хрупкие разрушения можно разделить на два класса: 1 — по границам зерен выделяется пленка хруп­ кой новой фазы; 2 — границы зерен охрупчиваются из-за сегрега­ ций примесей, без выделения фазы.

Плато с сотрудниками [30] описали большое число случаев интеркристаллитного разрушения, связанного с образованием выделений в виде пленок по границам зерен. Особо следует отме­ тить случаи разрушения некоторых аустенитных хромоникеле­ вых сталей, которые охрупчиваются в результате выделений кар­ бидов по границам зерен. Исследователи установили, что для интеркристаллитного разрушения пленки по границам зерен не обязательно должны быть сплошными; обычно выделения имеют форму плоских дендритов, покрывающих около 50% площади границ зерен. Разрушение происходит иногда по поверхности раздела карбида с матрицей, а иногда в результате хрупкого разрушения (скола) тонких карбидных пластин. Присутствие таких тонких несплошных пленок по границам зерен может быть установлено обычными металлографическими методами или ана­ лизом морфологии поверхности разрушения. Однако лучше все­ го они выявляются травлением поверхности разрушения. Спейсил и Вольф [31] также показали, что охрупчивание молибдена следами примесей кислорода, азота или углерода связано с обра­ зованием тонких пленок второй фазы, зачастую обнаруживае­ мых на обычных металлографических шлифах, но четко выявляе­ мых при металлографическом исследовании поверхности излома.

В самое последнее время Вестбрук и Вуд [35] установили, что признаки сегрегации по границам зерен примесей, которые могут привести к хрупкому интеркристаллитному разрушению, можно обнаружить измерением микротвердости по границам зерен и что имеется однозначная корреляция между ростом твердости на границах зерна и хрупким интеркристаллитным разрушением во всех исследованных случаях. Изменения состава или термической обработки (например, закалка с высокой температуры), устраня­ ющие повышение твердости по границам зерен, устраняют также

мида) и нагрузка 5 г обеспечивали величину отпечатка порядка 10 мкм. При таких отпечатках твердость фактически является средней из измерений по области шириной порядка 50 мкм; если можно было бы получить отпечатки меньших размеров, то твер­ дость вблизи границы оказалась бы значительно больше.

Несколько лет назад Лоу и Фойстел [36] показали, что охруп­ чивание границ зерен железа кислородом может быть полностью устранено при введении небольшого количества углерода. Такое изменение химического состава приводит к переходу характера разрушения от интеркристаллитного к транскристаллитному и снижает критическую температуру хрупкости. Добавление не­ больших количеств углерода (порядка 0,005% по массе) \к мате­ риалу, для которого в исходном состоянии характерно повыше­ ние твердости границ зерен, показанное на рис. 10, полностью снимает этот максимум твердости по границам зерен и одновре-

20