книги / Хрупкость металлов при низких температурах

влиянии вида напряженного состояния на величину пластических деформаций в вершине трещины.

; . В настоящих экспериментах изучены всего два размера зерна, что, конечно, не дает оснований для широких обобщений. Однако отсутствие подобных результатов для широкого диапазона низких температур и напряженных состояний и имеющаяся в литературе достаточно обстоятельная проверка формулы (3.29) в условиях одноосного напряженного состояния делают весьма актуальной такую проверку на основе данных результатов. При этом необхо­ димо учитывать, что, хотя в поперечном сечении крупнозернистого образца находится около 27 зерен и условие необходимости 20 зерен в сечении [245] формально соблюдается, толщина стенки образца (0,8 мм) в 2 раза меньше среднего размера зерна (1,7 мм), что не может не сказаться на сопротивлении деформации этого мате­ риала. Поэтому ценность сопоставления, проведенного в настоя­ щей главе, заключается прежде всего в сравнительном характере полученных результатов: поскольку во всех экспериментах

в радиальном направлении нет препятствий в виде границ зерен для протекания скольжения, это расхождение кажется естествен­ ным. С другой стороны, полученные данные показывают, что на­ пряженное состояние существенно не влияет (за исключением к —

был принят закон упрочнения материала в виде (1.26), представ­ ляет интерес определение параметров этого закона. Для установ­ ления по результатам эксперимента показателя п в выражении

величины п для четырех видов напряженных состояний, двух раз­ меров зерна и различных температур. Полученные результаты г.о- казапы на рис. 117. Учитывая обычно большой разброс экспери­ ментальных данных при подобной обработке результатов (см., например, работу [278], а также рис. 85 и 86), можно отметить определенную температурную закономерность расположения экс­ периментальных точек, достаточно хорошо соответствующую дан­ ным, полученным при испытаниях на растяжение сплошных об­ разцов (см. рис. 85).

Как видно из рис. 113—115 и 117, в процессе пластической деформации, вплоть до момента разрушения, особых отклонений от закона упрочнения в виде (1.29) не происходит. Однако момент наступления разрушения материала согласно предельным кривым (рис. 113 и 114, светлые точки), относящимся к разрушению, не согласуется с критериями Мизеса и Треска — Сен-Венана, осо­ бенно с понижением температуры. Это приводит к необходимости более детального рассмотрения процессов разрушения изучен­ ных образцов, что выполнено в параграфе 6 настоящей главы.

3.Деформация двойникованпем

иее роль в хрупком разрушении

Детальное изучение структуры двойника и особенностей развития деформации двойникованием [30, 78,160], исследование динамических свойств двойникующих дислокаций [195], а также количественная оценка вклада двойников в общую деформацию поликристалла [150, 429] позволили количественно интерпретировать многие стороны этого явления. В то же время, несмотря на установленную определяющую роль касательных на­ пряжений в развитии двойниковой прослойки, остается невыяснен­ ной роль нормальных напряжений в этом виде деформации. В част­ ности, не установлены [223] влияние вида напряженного состояния па развитие двойников в поликристаллическом образце и их связь с хрупким разрушением, которое, как известно, зависит от соот­ ношения касательных и нормальных напряжений [254]. Обсуждав­ шиеся в предыдущем параграфе испытания трубчатых образцов при различных напряженных состояниях позволили собрать оп­ ределенную информацию об особенностях протекания процесса двойникования в условиях сложного напряженного состояния.

Описываемые ниже результаты в

(условно, эти двойники мояшо на­ звать первичными). Если в данных экспериментах двойники иг­ рают определенную роль в зарождении скола, то ее можно свя­ зывать только с двойниками этого типа. Зарождение двойников второго типа (вторичных) связано с зоной высокой концентрации напряжений в вершине трещины, а их ориентация должна отра­ жать специфическое напряженное состояние в этой области. Не­ зависимо от макроскопического напряженного состояния образца эти двойники всегда имеют характерную ориентацию относительно микротрещин, возле которых группируются, что подтверждает указанную выше причину их возникновения. Исследовались двой­ ники обоих типов.

Первичные двойники. Для того чтобы исключить возможное искажение результатов вторичными двойниками, все измерения проводились на достаточном расстоянии от излома. В случаях, когда в поле зрения попадала микротрещина с характерно ориен­ тированными двойниками, эти двойники не учитывались. В про­ цессе обследования шлифа на внешней поверхности рабочей части образца фиксировались толщина двойниковой прослойки в плос­ кости шлифа и ориентация следа двойника на поверхности шлифа (рис. 118, угол а).

Поскольку развитие двойника происходит под влиянием каса­ тельных напряжений, при нагружении образца возникают в пер­ вую очередь двойники, плоскость и направление двойникования которых близки или совпадают с площадками действия и направ­ лением максимальных касательных напряжений. Поэтому при изучении распределения по ориентациям выхода двойников на

плоскость шлифа в поликристалле следует ожидать предпочтитель­ ного их группирования вокруг направлений, соответствующих пересечению площадок действия максимальных касательных на­ пряжений^ поверхностью шлифа. Рассмотрим для каждого иссле­ дованного вида напряженного состояния ожидаемые ориентации этих направлений.

1. Одноосное растяжение вдоль оси образца. При этом виде на­ гружения максимальные касательные напряжения, действующие в любой точке образца (точка О на рис. 118, а), ориентированы вдоль образующей конуса с вершиной в этой точке и осью, парал­ лельной оси растяжения. Образующая конуса составляет угол 45° с его осью. Наиболее благоприятным для зарождения и раз­ вития двойника есть случай, когда направление двойниковапия совпадает с образующей этого конуса, а плоскость двойникования является касательной к поверхности конуса (при этом коэф­ фициент Шмида достигает своего максимума — cos 0 cos “к = = 0,5, где 0 — угол между осью растяжения и нормалью к плос­ кости двойникования; Я — угол между осью растяжения и направ­ лением двойниковапия). Ориентация линии пересечения двойни­ ковой прослойки с поверхностью шлифа будет зависеть от поло­ жения плоскости, касательной к поверхности конуса. Как видно из рис. 118, а, все возможные положения этой плоскости будут оставлять следы АВ на поверхности шлифа, расположенные отно­ сительно образующей CD под углом а, который может принимать значения от 45 до 135 и от 225 до 315° (рис. 118, б). Посколькуна шлифе невозможно обнаружить положительное направление двойниковой прослойки, заштрихованные секторы становятся не­ различимыми. Поэтому все обнаруженные ориентации двойников будем относить к интервалу углов 0 — 180°. Таким образом, пре­ имущественного группирования двойников следует ожидать в зо-

2. Двухосное растяжение. Для двухосного растяжения с соот­ ношением главных нормальных напряжений к — = 0,667

максимальные касательные напряжения в любой точке образца направлены вдоль проходящей через эту точку образующей кону­ са, ось которого совпадает с осью образца, а угол при вершине, образованный двумя противоположными образующими, равен 90°. Для каждой точки образца существуют два таких конуса с общим основанием, проходящим через эту точку, что соответствует закону парности касательных напряжений.

Величина максимальных касательных напряжений равна с^/2, где Oj — главное нормальное напряжение, действующее вдоль осп образца. Нетрудно убедиться, что в наиболее благоприятном по­ ложении будут двойники, направления сдвига у которых совпа­ дают с образующей одного из двух указанных конусов, а плоскость двойниковапия является касательной к его поверхности. Такие

двойники будут оставлять на шлифе след, составляющий угол 90° с образующей цилиндра образца.

В отличие от простого растяжения в данном случае будут дей-

0333

=- - где <т2 — окружное растягивающее напряжение. Первые

напряжения действуют по плоскостям, пересекающим поверхность шлифа по образующим цилиндра и составляющим с нормалью к поверхности шлифа угол 45°. Двойниковые прослойки, возникаю­ щие под влияпием этих напряжений, должны выходить на поверх­ ность шлифа вдоль образующих (угол а равен 0 или 180°) цилиндра

рабочей части образца. Напряжения °1 ~ °2 действуют также по

плоскостям, нормальным к поверхности образца. Соответствующие этим напряжениям двойниковые прослойки должны выходить па поверхность под углом 45°.

При равномерном двухосном растяжении (к = 1) выход двой­

ния реализовались дополнительным нагружением образца кру­ тящим моментом. Плоскости действия максимальных касательных

напряжений Pl ~ -- 3 в этом случае перпендикулярны к поверхности

шлифа, а их следы направлены под углами а, равными 18° 20' и 108° 20', к образующей при к = —0,25 и под углами а, равными 7° 30' и 97° 30', при к — —0,55. Под этими углами и следует ожи­ дать наиболее вероятного выхода двойниковых прослоек на по­ верхность шлифа. Кроме того, возможно образование двойников от касательных напряжений a j 2 и а3/2, следы которых на поверх­ ности шлифа ориентированы по отношению к образующей под уг­ лами, значения которых приведены в табл. И .

Рассмотрим результаты эксперимента. На рис. 119 представле­ ны примеры гистограмм ориентационных распределений линий пересечения двойниковых прослоек с плоскостью шлифа для neкоторых исследованных видов напряженных состояний и темпера­ тур, при которых обнаруживались двойники. Видно, что для об­ разцов, испытанных при к = 0 (рис. 119, а) (одноосное растяже­ ние), распределение двойников по ориентации проявляет харак­ терный пик при а = 90°, что соответствует ориентации биссектри­ сы заштрихованных секторов на рис. 118, б.

Данные для к = 0,667 (рис. 119, б) проявляют две ориента­ ции, соответствующие наибольшему количеству двойников: а = = 50 ч- 70° и а = 110 -*- 130°. Эти данные не согласуются с пред-? полагаемыми ориентациями на поверхности шлифа следов илос-

вило, а = 0 (180°). Исключение представляет образец, испытан­

вают хорошее согласие ориентаций двойников с предполагаемыми выше ориентациями следов плоскостей действия ттах на плоскости шлифа. Характеристика напряженных состояний и наблюдавшие­ ся ориентации двойников приведены в табл. 11.

Регистрировалась также толщина среза двойниковой прослой­ ки поверхностью шлифа. Измерения проведены для тех же об­ разцов и тех же участков шлифа, на которых определялась ориен­ тация двойников. Как видно из рис. 120, основное количество двойников имеет в срезе толщину до 1 мкм. Тем не менее наблю­ дались отдельные двойники значительно большей толщины. Ре­ зультаты количественной обработки приведенных на рис. 120 гис­ тограмм указаны в табл. 12.

Поскольку изучались распределения двойников в поликристал­ лах, следует ожидать отклонения ориентаций двойников от ориен­ таций следов плоскостей действия максимальных касательных на­ пряжений на поверхности шлифа. Можно указать следующие при­ чины этих отклонений:

а) отклонения плоскостей действия ттах в каждом отдельном зерне от рассмотренных выше ориентаций плоскостей действия макроскопических напряжений тшах, вызванные перераспределе­

ствует лишь напряженное состояние материала на наружной по­ верхности образца, тогда как на внутренней оно будет трехосным. В самом неблагоприятном случае (к = 1), как указывалось выше, радиальное напряжение на внутренней поверхности образца со­ ставляет всего 6,67% напряжения а2.

Распределения на рис. 119, а показывают, что при растяжении основное количество двойников группируется в интервале ориен­

согласуются с рис. 118. Существование ориентаций вне указанного интервала объясняется, по-видимому, перечисленными выше при­ чинами.

Данные, полученные на образцах, подвергавшихся нагружению при к = 0,667 (см. рис. 119, б), не согласуются с ожидаемыми ориентациями следов плоскостей действия ттах на поверхности шлифа. Объяснения этому расхождению не найдены.

Для образцов, испытанных при двухосном равномерном рас­ тяжении (к = 1), наблюдается пик ориентаций при а — 90°. Так

имущественными ориентациями двойников. Все это свидетель­ ствует об определяющей роли макроскопических касательных напряжений в зарождении и развитии процессов двойникования.

Распределения двойниковых прослоек по толщинам их среза поверхностью шлифа обнаруживают слаборазличимую зависи­ мость от температуры и вида напряженного состояния. Для всех исследованных образцов основное количество двойников имеет толщину среза 0— 0,7 или 0— 1,0 мкм, хотя наблюдались и значи­ тельные отклонения от этого интервала (до 4,76 мкм). Минималь­ ная наблюдавшаяся толщина прослойки составляла 0,14 мкм, что близко к разрешению оптического микроскопа, на котором прово­ дилась работа.

Как видно из табл. 12, плотность двойников, определяемая ко­ личеством обнаруженных двойников на единице площади шлифа, существенно зависит от температуры и вида напряженного со­ стояния (из табл. И следует, что отношение ттах/сГо изменялось почти на порядок — от 0,75 до 5,16). Здесь, как и в работе [358], приведены уточненные данные по плотности двойников в отличие от ранее опубликованных предварительных результатов [103, 106], где плотность двойников в аналогичной таблице оценена неверно.

Некоторые результаты табл. 12 представлены графически на рис. 121, характеризующем изменение плотности двойников в за­ висимости от напряженного состояния и температуры. Касатель­ ные напряжения, необходимые для зарождения двойников, дости­ гаются при температурах 223— 173 К (при температуре 223 К двой­ ники не обнаруживались). При более низких температурах из-за различий в температурной зависимости напряжений течения и двойникования [78] создаются еще более благоприятные условия для развития этого вида деформации. Трудно объяснить наблюдае­