книги / Разрушение твердых тел

ДВОЙНИКОВАНИЕ И ЗАРОЖДЕНИЕ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛАХ С ОБЪЕМНОЦЕНТРИРОВАННОЙ КУБИЧЕСКОЙ РЕШЕТКОЙ

ВВЕДЕНИЕ

В последние несколько лет развитие теорий хрупкого разрурушения шло по пути создания и анализа моделей зарождения трещин. На основе теорий, развитых Коттреллом [1] и Петчем[2], можно с достаточно высокой достоверностью предсказать взаи­ мосвязь вязких и хрупких свойств металлов с решеткой о. ц. к. В последнем обзоре Оуэн и Халл [3] обобщили современные представления теории хрупкого разрушения, потому в настоя­ щей работе они не рассматриваются.

Существует множество доказательств того, что зарождение трещин скола в металлах с решеткой о. ц. к. может быть тесно связано с деформационным (механическим) двойникованием [4— 13]. Наряду с полученными ранее доказательствами и дан­ ными, которые будут рассмотрены в этой статье, имеются два важных наблюдения, подчеркивающих необходимость оценки роли двойникования при любом случае хрупкого разрушения. Во-первых, двойникование почти всегда связано с хрупким раз­ рушением. Можно доказать, что это просто результат концентра­ ции напряжений около продвигающейся трещины, как это де­ тально описано и проанализировано для цинка [14, 15]. В том, что этот эффект имеет место, сомнений нет, однако он является лишь второстепенным. Во-вторых, пластическая деформация скольже­ нием не вызывает разрушения даже при тех же напряжениях, при которых двойникование приводит к разрушению.

Двойникование наблюдается во всех металлах с решеткой о. ц. к. групп VA и VIA; соответствующие наблюдения описаны в литературе [3, 16]. По-видимому, нет оснований полагать, что поведение этих металлов при двойниковании различается, так как кристаллография, способ образования двойников, их морфо­ логия и т. д., согласно опубликованным данным, одинаковы. Однако имеющиеся сведения о факторах, влияющих на характе­ ристики двойникования, весьма незначительны. Особенно важно, что существуют противоречивые данные о влиянии на двойнико­ вание состава и содержания примесей.

Следует также отметить, что при определенных, видимо весь­ ма необычных, обстоятельствах трещины зарождаются и при отсутствии двойникования. Так, в двухфазных системах, таких

1 D. Hull.

как малоуглеродистая сталь, трещины могут зарождаться в ко­ лониях перлита или в пластинках цементита. Смоллмен с со­ трудниками наблюдал мелкие трещинки на поверхности ниобия, который был охрупчен умеренным нагревом на воздухе. Поверх­ ностные трещины могут непосредственно приводить к хрупкости материала. Тетелмен и Робертсон наблюдали трещины по плос­ кости скола {001} в кремнистом железе при отсутствии внешне­ го приложенного напряжения. Эти трещины образовались в ре­ зультате диффузии и выделения водорода в некоторых, не вполне определенных, местах решетки, что приводило к развитию зна­ чительного внутреннего давления.

В данной работе будет рассмотрен случай разрушения гомо­ генных однофазных металлов, для которых поверхностные усло­ вия не играют заметной роли, и у которых трещины вызываются пластической деформацией. Оуэн и Халл [3] считают наиболее важными два механизма разрушения: 1) взаимное пересечение двойников; 2) взаимодействие скольжения или двойникования с границами зерен. В монокристаллах эффективен лишь первый механизм, хотя и возможно, что границы субзерен в монокри­ сталле оказывают такое же влияние, как и границы зерен в по­ ликристаллах.

Приводится обзор и краткий анализ моделей зарождения трещин. Двойники рассматриваются как потенциальные источ­ ники трещин. Скольжение — конкурирующий (с двойникованием) процесс пластической деформации, поэтому будет рассмот­ рена взаимосвязь между скольжением и двойникованием в мак­ ромасштабе и на уровне атомного строения. Основой для того, чтобы считать 'важной роль двойникования, являются экспери­ ментальные результаты по изучению пересечения двойников в

полученных для моно- и поликристаллических образцов молиб­ дена.

МЕХАНИЗМЫ ЗАРОЖДЕНИЯ ТРЕЩИН

Следует особо подчеркнуть, что приводимые ниже аргумен­ ты справедливы лишь для объемноцентрированных кубических металлов и не приложимы в общем случае к неметаллическим материалам, рассматриваемым в других статьях сборника. В частности, предположение о наличии микротрещин в металлах до деформации крайне неправдоподобно; зарождение трещин является непосредственным результатом пластической деформа­ ции. Предложенные модели показаны на рис. 1, где использован тот же графический метод, что и у Коттрелла [19]. Первая мо­ дель (рис. 1 , а), предложенная Зинером [20], исходит из образо­ вания плоских скоплений скользящих дислокаций перед препят­ ствиями типа границ зерен, в результате чего возникает концен-

223

трация напряжений, достаточная для возникновения трещины. Эта модель имеет ряд ограничений, таких как отсутствие дока­ зательств плоских скоплений дислокаций и неприменимость ее для монокристаллов. Пытаясь преодолеть второе затруднение, Биггс и Пратт [8] предположили, что скользящие дислокации в монокристаллах могут образовывать плоские скопления перед двойниковыми границами. Однако Слизвик и Фербраак [21] по

Рис. 1. Различные механизмы зарождения трещин в монокристаллах с решеткой о. ц. к.:

казали, что двойники не могут быть эффективными барьерами для скользящих дислокаций и поэтому данный механизм можно не принимать в расчет. Чтобы устранить второе ограничение для модели плоских скоплений дислокаций, Коттрелл [1] предпо­ ложил, что трещина возникает на пересечении двух полос сколь­ жения (рис. 1, в) в результате слияния скользящих дислокаций, приводящего к возникновению дислокации а [001]:

В дальнейшем скользящие дислокации вливаются в дисло­ кацию а [001] и создают трещину в плоскости скола. Стро [22] путем расчетов показал, что первая образовавшаяся дислокация а [001] имеет тенденцию к расщеплению под действием напряже-» ний, вызываемых последующими дислокациями (а/2) [111] и

(а/2) [111], и поэтому не может служить эффективным барьером. Хонда [23] наблюдал действие механизма Коттрелла в монокри­ сталлах кремнистого железа. Попытка установить действие ме-

224

ханизма, предложенного Коттреллом, была сделана Халлом [5], который испытал монокристаллы кремнистого железа на растя­ жение в направлении <001 > и нашел признаки зарождения тре­ щин на пересечении двойников. Аналогичные наблюдения на молибдене осуществил ранее Кан {4]. Халл [6] считает, что тре­

Эта плоскость, очевидно, была бы плоскостью разрушения, но Слизвик привел ряд возражений против этой модели, исходя из

предположил, что трещина на пересечении двойников образуется в результате реакции между дислокациями опережения, (emissa­ ry dislocations), образующимися у вершины двойника (рис. 1, в3). Взаимодействие между дислокациями опережения приводит к образованию плоскости с дислокациями а < 0 0 1 > , параллельной оси растяжения. Обе эти модели согласуются с эк­ спериментально наблюдаемым зарождением трещин на пересе­ чениях двойников, однако очень мало вероятно, что два двойни­ ка, возникших в различных частях кристалла, могут встретиться подобным образом. Можно, конечно, предположить, что расту­ щий двойник пересекается вторым двойником и что оба они продолжают рост, образуя трещину, но наиболее важным меха­ низмом следует считать более общий случай [7] (рис. 1, г), когда трещина возникает при пересечении растущего двойника с ра­

нее существовавшим.

Эффективность этого механизма зависит от устойчивости барьеров, созданных двойниками, и от того, насколько легко может протекать в местах пересечения двойников пластическая деформация, снижающая концентрацию напряжений.

ПРИЗНАКИ ДВОЙНИКОВ, СВЯЗАННЫХ С ХАРАКТЕРОМ ТРЕЩИН

1. Двойникование в металлах с решеткой о. ц. к. происходит по плоскости {112} в направлении < 1 1 1 > . Двойниковый сдвиг равен 1/ у 2 ,что соответствует смещению (а/6) < 1 1 1> по любой из плоскостей {112}. Без использования специальной модели за­ рождения и роста двойника его рост может быть описан простым перемещением серии частичных дислокацийДа/6) < 1 1 1> в пло­ скостях {112}, что подтверждается непосредственными наблю­ дениями, проведенными на тонких пленках методом электрон­ ной микроскопии [24]. Тогда, как это предположил Орован |2oJ, любую поверхность раздела двойников, не параллельную пло­ скости двойникования, можно рассматривать как ряд частичных дислокаций (а/6) < 1 1 1 > . Важной особенностью кристаллогра-

22э

фической картины здесь является большая величина деформа­ ции,^создаваемой двойниками (рис. 2). Здесь А Б ВГ — плоскость

а (ПО) решетки о. ц. к. Плоскость двойникования (112) нор­

мальна к АБВГ и ее след [111] параллелен АБ. Атомы, лежащие в плоскости рисунка, показаны белыми кружками, а атомы бли­

жайших плоскостей (НО), расположенных непосредственно выше и ниже, обозначены черными кружками. Если Д Е — надрез в кристалле, и двойникующая дислокация на поверхности разде­ ла ЖА проходит через кристалл к Д Е, то решетка окажется гомогенно сдвинутой и при этом возникает большая «трещина». В действительности таких надрезов не существует и деформация, связанная с двойниками, при их остановке приспосабливается к окружающей решетке.

Рис. 2. Образование сдвига в результате двойникования в решетке о. ц. к. Плоскость двойникования нормальна плоскости рисунка, а след плоскости двойникования параллелен АБ 432

2.Имеющиеся доказательства указывают на то, что скорость роста двойников предельно велика. Одной из причин этого яв­ ляется большое различие в напряжениях, необходимых для за­ рождения и для роста двойников. Таким образом, если двойник образуется и встречает препятствие, очень быстро развивается большая пластическая деформация, оставляя минимум времени для релаксации напряжений.

3.Обычно двойники прямолинейны, а их границы параллель­

ны. Края двойников, выходящие на свободную поверхность, час­ то оказываются зазубренными; это описано в литературе [6]. Следует подчеркнуть, что это поверхностный эффект. Зазубри­ ны в основном наблюдаются на одной стороне двойника, которая определяется углом его встречи с поверхностью. Двойники при встрече с границей зерна, или иным препятствием, обычно при­ обретают клиновидную форму.

4. Выше было упомянуто, что уже существующие двойники не могут служить прочными барьерами для скользящих дисло­ каций. Однако они могут оказаться чрезвычайно устойчивыми барьерами для двойников деформации. Этот вопрос был впервые изучен Мюгге [26], а затем Смитом с сотрудниками [27]. Можно

226

Т а б л и ц а 1

Системы двойникования у металлов с решеткой о. ц. к.

условно выделить два типа пересечения двойников: а) пересече­

ДВОЙНИКОВАНИЕ И СКОЛЬЖЕНИЕ

В зарождении разрушения путем двойникования имеются два особо важных вопроса, касающихся связи двойникования со скольжением: во-первых, в макроскопическом масштабе,—пред­ шествует ли скольжение двойникованию и каково возможное влияние скольжения; во-вторых, в атомном масштабе,— каковы механизмы скольжения у вершины двойника деформации, а так­ же релаксации высоких локальных напряжений.

15*

Сейчас уже есть большое количество экспериментальных дан­ ных по явлениям макроскопического масштаба, указывающих на отсутствие взаимосвязи между скольжением и двойникованием у сплавов железа, а также у других металлов с решеткой о. ц. к. На рис. 4 схематично показана зависимость предела теку­ чести и напряжения двойникования от размера зерна [7, 29]1, температуры [7, 10] и ориентации2 для сплавов железа. Очевид­ но различие в характере изменения предела текучести и напря­ жения двойникования3. На графике ориентационной зависимости предела текучести и напряжения двойникования монокристаллов (рис. 4, б) видно, что переход от хрупкого разрушения к вязкому при 77° К происходит на пересечении этих двух кривых. Следо-

Рис. 4. Зависимость предела текучести (сплошная линия) и напряжения двойникования (пунктир) от размера зерна (а), температуры (б) и ориен­ тации (в). Экспериментальные данные не включены

вательно, если скольжение происходит ранее двойникования, то кристаллы являются вязкими, а если раньше происходит двойникование, то кристаллы — хрупкие.

Однако в действительности зарождение разрушения более тесно связано со вторым аспектом, т. е. с локальным течением в области вершины двойника; это имеет некоторые подтвержде­ ния. Халл [6] объясняет возникновение поверхностных надрезов на одной стороне двойников на свободной поверхности локаль­ ным скольжением, происходящим вместо двойникования. Форма двойника, наблюдаемого на полированной поверхности кристал­ ла, тесно связана с линиями скольжения, возникающими вокруг него [30]. На рис. 5 показан двойник в кремнистом железе и свя­ занные с ним линии скольжения; все изменения в форме двойни­ ков связаны со скольжением. Имеются веские доводы, позволяю­ щие предположить, что скользящие дислокации возникают по по­

вом, так как пластическая деформация происходит и много ниже предела те­ кучести, а температурная зависимость предела упругости почти не изучена.

Прим. ред.