книги / Разрушение твердых тел
..pdf
Вследствие отсутствия хорошо обоснованных дислокацион ных моделей зарождения трещин в монокристаллах у мест вза имного пересечения полос скольжения и в местах сбросов трудно количественно оценить насколько напряжение, необходимое для зарождения разрушения, должно превышать напряжение, тре буемое для размножения дислокаций. Однако, исходя из наблю даемых свойств кристаллов, можно сделать некоторые качест венные заключения. Вообще говоря, напряжение, необходимое для зарождения трещин, зависит от величины пластической де формации, предшествующей разрушению, и от скорости дефор мационного упрочнения. В дальнейшем будут рассмотрены две основные характеристики: предельная плотность дислокаций в полосах скольжения и расстояние между полосами скольжения.
Плотность дислокаций в полосах скольжения — весьма важ ный фактор в связи с влиянием на концентрацию напряжений у конца полосы скольжения. Эта плотность зависит от подвижно сти дислокаций по первичным плоскостям скольжения {110} и по плоскостям поперечного скольжения {100}. Наличие приме сей, радиационные повреждения [23] и снижение температуры [24] уменьшают подвижность дислокаций, в результате чего воз растает сопротивление поперечному скольжению и увеличивает ся плотность дислокаций в полосах скольжения. Температура, по сравнению с другими параметрами испытания, оказывает наи большее влияние на характеристики поперечного скольжения. Можно выделить три температурные области на шкале гомоло гических температур, для каждой из которых это скольжение имеет свои отличительные особенности:
Т = 0° |
Повышение гомологической температуры-^ 7^ л |
|||||
I |
|
|
II |
|
|
ш |
Поперечное скольжение |
Поперечное скольжение |
Поперечное скольжение |
||||
весьма затруднено; |
плот |
слегка |
затруднено; |
плот |
совершается легко и имеет |
|
ность дислокаций высока; |
ность |
дислокаций |
ниже; |
большую |
интенсивность, |
|
полосы скольжения плос полосы скольжения плос |
полосы |
скольжения вол |
||||
кие и имеют тенденцию |
кие, но более размыты |
нистые |
|
|||
к сужению |
|
|
|
|
|
|
Существование трех типов скольжения характерно для всех обычных твердых тел с ионными связями типа каменной соли, таких как: AgCl,eKCl, NaCl, LiF, MgO. Температуры перехода от одной области скольжения к другой (I — I I -> III) зависят от химического состава соединения. Переход I — выражен нечет ко, но лежит в области 0,1—0,15 Тпл для большинства указанных веществ.
Переход II -т> III выражен более резко; для AgCl он происхо дит при 0,25 Гпл, а для NaCl и LiF — при 0,45—0,50 Гпл; MgO не исследовали при температурах, достаточно высоких для вол нистого скольжения, но, исходя из сходства его пластических
являются активные петли дислокаций, то напряжение зарожде ния трещины Of зависит не только от напряжения, необходимого для размножения дислокаций ао, но также и от расстояния L между границей зерна и первичным источником полосы сколь жения, вызывающей зарождение трещин. Экспериментально най денное соотношение имеет вид:
Jo "Ь
На рис. 7 представлены результаты, полученные для несколь ких серий бикристаллических образцов (А, Б и В), подвергнутых
246,6(25,4)
% 219,2(22,4)
1§ 191,8(19,5)
164,4(16,0)
11 щоп\В1
'о _
109,6(f1,2) -
И82,2(8,4) -
(3 54,8(5,6)
*27,4(2,8)
п -t/г |
-j/2 |
D , |
м м |
Рис. 7. Зависимость между номинальным напряжением разрушения и величиной, обратной корню квадратному из расстояния от источникадислокаций до границы; испытание велось на изгиб при четырехточечной схеме нагружения. Угол разориентации границы и содержа ние примесей по границе различны для образцов каж
дой серин
термической обработке при 2000° С и последующему полирова нию для удаления источников дислокаций, присутствовавших ра нее и образовавшихся вновь на поверхности. Образцы испыты вали на чистый изгиб (четырехточечная схема нагружения с ма лой скоростью деформации). Каждая кривая получена для серии образцов, вырезанных из одной заготовки; поэтому границы зе рен в каждой серии образцов были одинаковыми. Однако в трех сериях границы зёрен были различными, так как заготовки выре зали из различных поликристаллических блоков MgO; соответ ственно, наклон кривых на рис. 7 различен. Источниками дисло каций здесь являлись отпечатки алмазного индентора, располо женные на определенном расстоянии L от границы зерна в кристалле, у которого направление [001] параллельно оси нагру жения. Хотя наклон всех кривых и различен, экстраполяция да ет практически одинаковые значения ао, равные напряжению,
86
необходимому для размножения дислокаций и определенному экспериментально для каждой серии образцов.
При дальнейшем рассмотрении условий образования трещин станет ясным все значение полученных результатов. Приложен ное (растягивающее) разрушающее напряжение ст/, возрастаю щее из-за концентрации напряжений, создаваемой заблокирован ными полосами скольжения, должно превзойти прочность сцеп ления материала. Это условие можно записать так
а/ + |
<7(°/— ао )> °т/£ - |
(1) |
Здесь от — теоретическая |
прочность сцепления материала, |
ве |
личина которой зависит от начального положения трещины (интеркристаллитная или транскристаллитная). В первом случае величина от также зави сит от наличия примесей и от разориентации зерен.
Постоянная k характеризует локальную концентра цию напряжений, которая может существовать в области границ зерен до образования полос сколь жения вследствие наличия включений и пустот;
q — коэффициент концентрации напряжений, повышаю щий величину эффективного напряжения, действую щего по полосе скольжения, т. е. (а/ — ао).
Вводя q в уравнение (1) и делая преобразования, можно по лучить
\OQ-^-Om/kq .
;>
1 + < г 1
для q » 1
а0 +
Стар [26] и позже Зинер [27] указали, что заблокированную полосу скольжения длиной 2L можно приближенно рассматри вать как трещину с свободно скользящими границами; концен трация напряжений на конце такой границы равна (L//i)V2j где h — ширина полосы скольжения. С учетом этого предположения уравнение (2) можно переписать в виде
^ |
|
1 |
(3 ) |
|
1 |
k |
L ‘/= |
||
|
Это уравнение было также получено и экспериментально. Для классической модели плоского скопления дислокаций, анализ которой впервые дал Эшелби с сотрудниками [28] и для за рождения трещин развил Стро [29], коэффициент концентрации напряжений q приблизительно равен п — числу дислокаций, за ключенных в полосе скольжения между единичным источником Франка — Рида и барьером. Стро показал, что п дислокаций мо гут располагаться не в одной плоскости, а в нескольких плоско стях, и создавать такую же концентрацию напряжений, если
87
только расстояние между параллельными плоскостями скольже ния меньше расстояния между дислокациями у вершины скопления. В кристаллах с ионной связью полосы скольжения развиваются в результате прогрессирующего зарождения и дей ствия новых источников дислокаций (т. е. связаны более, чем с одним источником). Величина и легкость поперечного скольже ния определяются расстоянием между параллельными плоско стями скольжения внутри полос скольжения, т. е. плотностью дислокаций.
Из уравнения (3) следует, что зависимость а/ от L ~tf\ про порциональна Om/k, т. е. прочности, присущей границе. Следует отметить, что наклон кривых, приведенных на рис. 7, заметно различается, что указывает на изменение прочности материала по границам зерен в широких пределах для различных серий об разцов. Влияние разориентации зерен не удалось установить, так как оно было замаскировано влиянием включений и пустот. В об разцах тех серий, для которых были получены кривые с наиболь шим наклоном, границы зерен не содержали неоднородностей, в то время как в тех бикристаллах, для которых наклон кривых был наименьшим, по границам имелось большое количество пус тот и включений. Необходимо иметь в виду, что если путь сколь жения ограничен, как например при малых размерах зерен, зна чительное повышение прочности может достигаться просто за счет освобождения границ зерен от локальных концентраторов напряжений.
Исходя из того, что первичное зарождение разрушения в поликристаллических телах с ионной связью происходит по грани цам зерен, было сделано предположение об их «врожденной» не прочности при низких температурах [25]. Однако современны^ наблюдения показывают, что, несмотря на меньшую прочность при зернограничном разрушении по сравнению со сколом по пло скостям {НО}, соответствующие абсолютные значения прочности могут быть весьма высокими. Стокс и Ли [30] показали, что по лированные бикристаллы MgO, из которых источники дислока ций были удалены в результате термической обработки, дефор мируются пластично вплоть до значения растягивающих напря жений порядка 764 Мн/м2 (78 кГ/мм2) и что образцы при это^ не разрушаются.
Поведение поликристаллов
Механические свойства ионных поликристаллов определяют ся взаимодействием границ зерен с полосами скольжения, обра зующимися на ранних стадиях деформации. Полная пластиче ская деформация, предшествующая разрушению, зависит от ха. рактера полос скольжения. Для поведения поликристаллов пр^ низких скоростях деформации можно установить три характер ные температурные области, как и в случае монокристаллов:
I. Поликристаллы являются исключительно хрупкими; узкие, интенсивные и плоские полосы скольжения приводят к зарожде нию трещин, которые распространяются при номинальном раз рушающем напряжении, зависящем от размера зерен и совер шенства границ. Для поликристаллов MgO и поликристаллов LiF низкой чистоты такое поведение характерно при комнатной температуре.
II. Поликристаллы имеют некоторую пластичность. Плоские полосы скольжения имеют более размытый характер. Зарож да
ющиеся у полос скольжения трещины развиваются |
вплоть до |
||||
разрушения, |
наступающего при де |
|
|
|
|
формациях 0,5—5% в зависимости |
|
|
|
||
от температуры. Разрушение проис |
|
|
|
||
ходит без образования шейки; раз |
|
|
|
||
мер зерен весьма сильно влияет на |
|
|
|
||
скорость деформационного упрочне- |
|
|
|
||
ния. Поликристаллы NaCl |
£30], КС1 |
|
|
|
|
и LiF ** высокой чистоты обладают |
|
|
|
||
указанными свойствами при ком- |
|
|
|
||
натной температуре, a AgCl [31] — |
|
|
|
||
при температуре жидкого |
азота. |
|
|
|
|
III. Поликристаллы |
обладают |
Рис. 8. Схема зависимости пла |
|||
значительной |
пластичностью. Гра |
||||
ницы зерен оказывают лишь слабое |
стических |
свойств |
ионных кри |
||
сталлов |
от гомологической |
||||
влияние на начальный участок кри |
|
температуры |
|||
вой деформации. Разрушение сопро |
|
|
|
||
вождается образованием |
резко выраженной шейки [31]. Приме |
||||
рами подобного поведения могут служить поликристаллы AgCl, деформируемые при —78° С, и поликристаллы NaCl — выше 250° С (30].
На рис. 8 схематично показано поведение материала в ука занных областях температур. Можно предположить, что основ ным фактором, препятствующим зарождению трещин в начале текучести, является способность дислокаций к экстенсивному по перечному скольжению по плоскостям {100}. Этот процесс вклю чает выход дислокаций по механизму пластической деформации, что ограничивает плотность дислокаций в полосах скольжения,
аэто в свою очередь ограничивает концентрацию напряжений.
Вэтой связи Стокс и Ли [30] обратили внимание на большое вли яние «перехода типа скольжения» на механические свойства по ликристаллов галоидных соединений щелочных металлов.
Влияние скорости деформации
LiF и MgO обычно деформируются при комнатной температу ре путем плоского скольжения по шести системам. Кроме того,
*По данным Н. Столова и Т. Джонстона.
**По данным Т. Хазлетта и С. Фейерштейна.
в этих кристаллах поперечное скольжение весьма затруднено и потому концентрация напряжений У концов полос скольжения весьма значительна. При более высоких температурах, когда становится возможным поперечное скольжение, наблюдается волнистое скольжение и в моно- и поликристаллах возрастает пластичность, предшествующая разрушению. Поперечное сколь жение —' процесс термически активируемый и, следовательно, зависит от скорости деформации. Поэтому неудивительно, что для данного материала температура, выше которой разрушению предшествует дефор^ция, возрастает с увеличением скорости деформирования (т. е. температурная область II).
Межзеренное сдвиговое разрушение
Имеется еще одно изменение характеристик разрушения в области высоких температур, здесь наблюдается хрупкое разру шение иного типа. Адамс и Мёрри недавно показали, что в би кристаллах NaCl и MgO может происходить значительный сдвиг по границам зерен при высоких скоростях деформации, когда температура испытания превышает 0,5 Тпл. Они показали, что наиболее слабыми оказываются сложные большеугловые грани цы и именно по ним происходит сдвиг при высоких скоростях де формации, в то время как малоугловые простые границы оказы ваются более прочными. Скорость сдвига по границам возраста ет с повышением температуры и напряжения.
Если на границах имеются ступеньки, то скольжение по гра ницам зерен приводит к образованию пустот, которые обычно возникают на стыке трех зерен. Разрушение этого типа не обя зательно связано с дислокационными процессами, поэтому пла стичность и величина поглощаемой энергии невелики. Разруше ние этого вида оказывается возможным в ионных кристаллах, даже в условиях ударного нагружения [25]. Представляется, что критическая температура сдвигового разрушения по границам зерен (~ 0 ,5 Гпл) менее чувствительна к скорости деформации, чем виды разрушения, рассмотренные в предыдущих разделах. Существование двух видов разрушения, которые могут по суще ству не зависеть один от другого, приводит к следующему важ ному выводу. Если скорость деформации достаточно велика и может вызвать повышение переходной температуры разрушения, вызываемого дислокациями (транскристаллитный, или интеркристаллитный скол), до значения выше необходимого для раз рушения посредством сдвига по границам зерен, то при всех температурах, вплоть до температуры плавления, будут возни кать трещины. Так, например, будет вести себя поликристаллический U F при нагружении со сравнительно небольшой скоро стью деформации порядка 10-1 сек~1 [25].
90
Температурная зависимость .напряжения течения по плоскостям {110} и {100}
Д ля возникновения поперечного скольжения винтовые дисло кации должны переходить из плоскостей скольжения {110} в плоскости {100}. Однако плоскости куба не являются плоскостя ми легкого скольжения дислокаций, за исключением высоких температур. При отсутствии возможности поперечного скольже ния у концов полос скольжения возникает значительная концен трация напряжений, как это показано на микрофотографии, по лученной в проходящем поляризованном свете (рис. 9).
В данном случае растяжению при комнатной температуре подвергали бикристаллический образец MgO. Четкость полос скольжения у их концов — в местах соприкосновения с границей зерна указывает на то, что поперечное скольжение на дальние расстояния либо незначительно, либо вообще отсутствует (это типично для температурной области I). С другой стороны, для NaCl получены неопровержимые доказательства наличия попе речного скольжения при тех же условиях испытания (рис. 10). Дислокации в этом случае не сосредоточены в узких полосах скольжения, а рассеяны в слабо выраженных полосах скольже ния (это характерно для температурной области II). Концентра ция напряжений в местах пересечения полос скольжения с гра ницами должна быть значительно меньшей, чем в MgO, а пла стичность поликристаллического NaCl — соответственно больше.
Для LiF [32] и MgO количественно определены напряжения течения по плоскостям {110} и {100} в широком диапазоне тем
ператур. Для |
определения напряжения течения в системах |
{100}' < 1 1 0 > |
монокристаллы должны быть ориентированы так, |
чтобы направление приложенного напряжения (обычно сжатия) совпадало с кристаллографическим направлением [111]; при та кой ориентации касательные напряжения по обычным системам {110} < 1 1 0 > равны нулю. На рис. 11 и рис. 12 показаны отно сительные значения напряжений течения для этих двух материа лов. Весьма важным фактом, установленным в настоящей рабо те, является существование различных температурных зависи мостей напряжения течения для двух указанных систем сколь жения. Выше 0,5 Гпл °бе зависимости приблизительно совпада ют, но при низкой температуре они различаются более чем на порядок. Отношение напряжений течения по различным систе мам скольжения для LiF при комнатной температуре составляет около 15 1, для MgO такое отношение достигается при 300° С.
Таким образом, становится ясно, что поперечное скольжение в LiF и MgO не может происходить при комнатной температуре, если только локальная концентрация напряжений не достигает*
* По данным У. Хуаса, С. Копли и др.