книги / Разрушение твердых тел

запно, однако также в направлении, параллельном активной си­ стеме скольжения. Ни в одном случае после разрезки образца и электрополировки не было обнаружено образования пор; однако фрактографические исследования кристаллов из дисперсионно твердеющих сплавов указывают на разрушение типа конус-ча­ шечка, которое предполагает образование пор. Однако, фрактография кристаллов меди дает совершенно иную картину, кото­ рую Бивер и Хоникомб связывают с частыми нарушениями про­ цесса скольжения и с зарождением разрушения в местах нагро­

разрушения. Эти кристаллы разрушались с образованием шейки и сужения до острия. Поры были обнаружены после разрезки об­ разца в области шейки, недалеко от места разрушения и парал­ лельно его острой кромке. Поры имеют тенденцию к концентра­ ции вблизи середины поперечного сечения, и существуют опреде­ ленные признаки того, что удлиненные пустоты развиваются в ре­ зультате слияния небольших сферических пор.

Выводы

Несомненно, что все рассмотренные виды разрушения имеют характерную общую черту. Зарождение разрушения является результатом негомогенной, пластической деформации в областях микроскопических размеров. В случае низкотемпературного хрупкого разрушения образование областей неоднородной плас­ тической деформации связано с образованием двойников или полос скольжения; при усталостном разрушении деформация ло­ кализуется в небольшом числе полос скольжения вследствие из­ менений хода процесса деформационного упрочнения под дейст­ вием циклического нагружения; при разрушении в условиях пол­ зучести первой ступенью в зарождении разрушения оказывается локализация сдвиговой деформации у границ зерен; наконец, при вязком |разрушении этот процесс начинается в результате лока­ лизации пластической деформации либо у непластичных, вклю­ чений, либо у полос значительной деформации.

В случае низкотемпературного хрупкого разрушения разви­ тие трещин в основном определяется сопротивлением пластиче­ ской деформации у вершины трещины, т. е. сопротивлением дви­ жению и размножению дислокаций под действием локальных касательных напряжений в области ведущего края трещин. Кро­ ме того, в процессе разрушения поликристаллов существенную роль приобретают границы зерен, что связано либо с возмож­ ностью влияния изменения ориентации в области границ на про­ цесс развития трещин при транскристаллитном разрушении, либо с тем, что границы вследствие сегрегации на них примесей могут стать легким путем для непрерывного продвижения тре­ щин.

44

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ СПЛАВОВ А1—Си и A l-Cu—Zn—Mg ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

За последние несколько лет можно отметить значительные успехи в понимании проблемы вязкого разрушения металлов и сплавов в условиях растяжения. Работами Путтика [1], Роджер­ са [2] и Коттрелла [3] показано, что разрушение в центральной части конуса и чашечки происходит в результате слияния мик­ роскопических внутренних пустот, которые растут в результате пластической деформации под действием трехосного напряжен­ ного состояния, возникающего при развитии шейки образца. Из наблюдений Типпера [4] и Плато с сотрудниками [5], которые для изучения поверхности разрушений ряда металлов и сплавов ис­ пользовали электронную микроскопию, следует, что внутренние пустоты зарождаются в результате разрушения частиц соедине­ ний. Работы Путтика, проведенные на чистой меди [1] подтвер­ ждают эту точку зрения, а Коттрелл [3] особо подчеркивает, что у весьма чистых металлов при испытании на растяжение можно получить очень высокие значения сужения поперечного сечения. Форсайт и Райдер [6] также показали, как хрупкое межзеренное разрушение высокопрочных алюминиевых сплавов может зарож­ даться у частиц выделений по границам зерен. С другой стороны, Роджерс [2], изучая поликристаллическую медь, не обнаружил признаков зарождения разрушения у частиц соединений, в отли­ чие от Биверса и Хоникомба [7], исследовавших полностью со­ старенные монокристаллы сплава А1 с 5,5% Си; однако и те и другие исследователи нашли (с помощью исследования под электронным микроскопом реплик с излома) на поверхностях разрушения ямки, характеризующие вязкое разрушение, проис­ ходящие в связи с ростом пор.

Большая часть данных, известных до настоящего времени, получена при исследовании поликристаллических чистых метал­ лов, тогда как работы по сплавам в основном ограничиваются изучением монокристаллов. Целью настоящей серии эксперимен­ тов явилась проверка соответствия современных идей о разру­ шении реальному поведению поликристаллических сплавов си­ стем А1 — Zn — Mg и А1 — Си, имеющих большое значение для авиационных конструкций. Для опытов были использованы спла-1

1 D. A. R у d е г, А. С. S m а 1е.

48

вы указанных систем как высокой чистоты, так и промышлен­ ные сплавы; при этом в приводимых ниже опытах главным обра­ зом изменялась длительность старения.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Использованные в экспериментах сплавы имели следующие составы:

1.А1 (сверхчистый) + 7,3% Zn + 2,6% Mg.

2.А1 (сверхчистый) + 3,9% Си.

+ 0,75% Si + 0,56% Mg (BSL 65, по американской номенклату­ ре 2024).

Все материалы поставляли в виде круглых прутков, получен­ ных методом экструзии, из которых изготовляли образцы диа­ метром 6,8 мм для испытаний на растяжение. Образцы закали­ вали на твердый раствор и подвергали старению разной продол­ жительности, а затем испытывали при комнатной температуре на тензометре Хаунсфилда при скорости деформации 0,03 мин-К

Из материала в каждом состоянии было испытано как мини­ мум по три образца, а в некоторых случаях — для уточнения кар­ тины разрушения испытывались еще добавочные образцы. Ис­ пытанные образцы разрезали и исследовали обычными металло­ графическими методами; поверхности изломов во многих случаях исследовали с помощью световой и электронной микроскопии. Для последней использовали три типа реплик: двухступенчатая ацетатная целлюлоза — угольная; одноступенчатая — угольная прямая оксидная.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Деформация и разрушение каждого сплава рассматриваются отдельно; начать удобнее с простого тройного сплава А1 — Zn — Mg.

Сплав сверхчистого алюминия с 7,3% Zn и 2,6% Mg

Образцы из этого сплава проходили закалку при 450° С на твердый раствор; затем их подвергали старению при 150° С раз­ ной продолжительности и после этого испытывали. Закалка на твердый раствор всегда дает полностью рекристаллизованную структуру; влияние такой обработки на механические свойства сплава показано на рис. 1. Из приведенных данных следует, что

максимум прочности достигается в результате старения при 150° С в течение 0,7 суток. Наиболее интересно то, что истинное сопротивление разрушению остается приблизительно постоянным при старении от 0,1 до 10 суток. Металлографические исследова­ ния шлифов, изготовленных из образцов, прошедших механиче­ ские испытания, указывают на наличие двух основных типов разрушения; переход от разрушения одного типа к другому со­

1д т ( т 6 сушках)

Рис. 1. Влияние старения при 150° С на механи­ ческие свойства сплава на основе сверхчистого алюминия с 7,3% Zn и 2,6% Mg (т — продолжи­ тельность старения, сутки):

1 — поперечное сужение; 2 — истинное сопротивление разрушению; 3 — предел прочности

показанное на рис. 2, имеет транскристаллитный характер и наи­ более четко выявляется на образцах, прошедших закалку на твер­ дый раствор, у которых первоначально равноосные зерна перед разрушением сильно вытягиваются; трассы разрушения идут под углом 45° к оси образца. В процессе деформации, как это показа­ но на рис. 3 и 4, перед разрушением также возникает большое количество продольных интеркристаллитных трещин. Старение продолжительностью 0,02 суток вызывает некоторые изменения характера разрушения: направление трассы разрушения меняет­ ся при переходе трещины от зерна к зерну, в результате чего по­ верхность разрушения приобретает более грубо текстурованный характер, чем на образцах, закаленных на твердый раствор. Это различие показано на рис. 3 и 4. Связано оно, вероятно, с тем, что более значительное удлинение образцов, закаленных на твер­ дый раствор, которое связано со значительными поворотами бо­ лее крупных зерен, дает возможность отдельным зернам в

50