книги / Хрупкость металлов при низких температурах

Обзор этих механизмов проводился в литературе неоднократно [57, 58, 159, 194, 208], что позволяет не останавливаться на них подробно. Рассмотрим кратко некоторые из них,чтобы подчеркнуть аналогию и различия с феноменологическими критериями разру­ шения, рассмотренными в предыдущем параграфе.

В большинстве физических теорий хрупкого разрушения в роли основного концентратора напряжений, трансформирующего прило­ женные напряжения до уровня теоретической прочности, выступа­ ют плоские скопления дислокаций. Типичным их представителем

пряжение, предел текучести и напряжение трения кристалличе­ ской решетки; у — эффективная поверхностная энергия. Как и в феноменологических критериях, здесь также присутствуют два основных параметра — эффективное напряжение и характер­ ный линейный размер d. Если рассматривается разрушение глад­ кого образца, то этот критерий представляет собой условие, необ­ ходимое для зарождения требуемой трещины, после чего предпола­ гается полное разрушение. Недостатки такого представления рас­ смотрены Ноттом [159]. Однако если механизм распространения магистральной трещины заключается в зарождении в ее вершине микротрещины и последующем их слиянии, то критерий (4.73) может быть использован и в этом случае (данные фрактографического анализа поверхностей излома, приведенные в главе пятой и работе [108], подтверждают этот механизм для хрупкого разруше­ ния поликристаллов). Однако теперь под тт следует понимать предел текучести в условиях напряженного состояния в вершине трещины. Учитывая, что характерным расстоянием рс при хрупком разрушении поликристаллов является величина, соизмеримая с диаметром зерна [108, 159, 438], и что в диапазоне температур, где имеет место хрупкое разрушение, размер критической пластиче­ ской зоны (расстояние до упруго-пластической границы) существен­ но превышает этот размер, можно утверждать, что критерий (4.73) описывает разрушение не во всем температурном интервале хруп­ кости.

Как и при хрупком разрушении, основным механизмом вязко­ го разрушения является зарождение несплошностей в вершине магистральной трещины и их последующее слияние с ней. Однако в этом случае иесплошности представляют собой поры. Эксперимен­ тальным доказательством такого механизма служат как фрактографические наблюдения ямок вязкого разрушения на поверхнос­ ти излома [13, 99, 441 ], так и непосредственное наблюдение процес­ са вязкого разрушения в сканирующем микроскопе [428].

Попытки создания моделей вязкого разрушения предпринима­ лись Макклинтоком [142, 143], Томасоном [159] и др. Как и в случае хрупкого разрушения, конкретные механизмы вязкого раз­ рушения приводят к критериям, включающим два типа парамет­ ров — геометрические (форма и размеры пор, расстояние между ними или объемная их плотность) и механические (критическая деформация, параметры кривой упрочнения и др.).

Известны попытки построения дислокационных моделей вяз­ кого разрушения [208] путем комбинации того или иного механизма зарождения микротрещины и дислокационного либо вакансионного механизма ее роста. Так или иначе, но после испытаний материа­ лов на разрыв в условиях различных температур [215] в определен­ ных температурных интервалах в структуре удается наблюдать большое количество микротрещин. Этот факт, а также результаты работ [10, 11, 26], полученные другими методами, являются экс­ периментальным подтверждением образования микротрещин в течение нагружения материалов.

В процессе нагружения гладкого образца в нем протекают пластические деформации и возникают микротрещины. Впервые на тесную связь пластической деформации с разрушением обратил внимание А. В. Степанов [198]. Однако до сих пор остаются не­ понятными закономерности этой связи, тем более, что, как правило, она проявляется двояко: вначале пластическая деформация способ­ ствует зарождению микротрещин, а затем становится виновником их затупления и релаксации пиков напряжений. Эти конкурирующие процессы полностью определяют способность металла сопротивлять­ ся разрушению, поэтому их изучение представляет научный и практический интерес. Описанные в предыдущей главе испытания трубчатых образцов при сложном напряженном состоянии позволи­ ли получить определенную информацию и в этом направлении. Рассмотрим эти результаты.

тики излома использованы термины «поверхность разрушения» — одна из двух поверхностей, образовавшихся в результате про­ движения магистральной трещины, «линия разрушения» — след поверхности разрушения на внешней цилиндрической поверх­ ности образца. Данные, приведенные в табл. 19, показывают, что при комнатной температуре разрушение происходит по пло­ щадкам действия максимальных касательных напряжений и это­ му соответствует типично вязкий характер излома. При пони­ женных температурах (ниже 173 К) излом имеет кристалличе­ ский характер, а поверхность разрушения достаточно хорошо соответствует положению площадок, на которых действуют мак­ симальные растягивающие напряжения.

Для анализа механизма разрушения того или иного образца важно обнаружить различия структурных изменений в матери­ але, прилегающем непосредственно к магистральной трещине

свидетельствует об эффективности определенных механизмов их зарождения на стадиях пластического течения материала.

Удалось изучить распределение ямок травления перед вер­

рис. 133. На расстояниях от вершины, превышающих 40 мкм,

Величина деформации до разрушения весьма существенно зависит от вида напряженного состояния (см. рис. 111). Напри­

сталличность излома, изолированные трещины и двойники), ве­ личина пластической деформации до разрушения весьма значи­ тельна (утах = 22% ). Деформация до разрушения у образцов, испытанных при 98 К, незначительна. Так, для двух крупнозер­ нистых образцов, испытанных при одноосном растяжении, утах равно 0,53 и 0,518% . Для двухосного равномерного растяжения

ко ниже этой величины, что связано, возможно, с потерей образ­ цами устойчивости. Приведенные данные свидетельствуют о том,

что различие в степени пластической деформации при разных соотношениях главных напряжений и одинаковом уровне низких температур не оказывает решающего воздействия на вид разру­ шения. Это согласуется с выводами работы [57].

Несколько образцов, разрушенных при 98 К, подвергались более тщательному металлографическому анализу. Изучалась по­ верхность шлифа на удалении от магистральной трещины, доста­ точном для того, чтобы быть уверенным в отсутствии влияния зоны концентрации напряжений в вершине трещины на исследу­ емые объемы материала. Исследовались изолированные микротре­ щины: их распределение по ориентациям и длинам. Как правило, микротрещпны достаточной длины не прямолинейны, à извилис­ ты, с прямыми участками, направления которых резко изменяют­ ся. Часто наблюдались остановки микротрещин перед границами зерен, но так же часто можно было наблюдать и пересечение микротрещиноп границы зерна.

Обычно в вершине остановленной микротрещины, как правило, образуются «усы» — зоны пластической деформации. Неоднократно можно было видеть участки границ зерен, по которым прошла трещина. В некоторых случаях обнаруживались изолирован­ ные микротрещины по границам зерен, связанные и не связанные с двойниками. В табл. 20 приведены количественные результаты этих наблюдений. Как видно из таблицы, средняя длина участка микротрещины, на котором не изменяется ее направление, близ­ ка к величине 0,13 мм. Если учесть не только средний размер неметаллического включения (0,002 мм), но и окружающую его зону упругих искажений (вокруг включений наблюдается повы­

Рпс. 134; (Гистограммы распределения в крупнозернистом железе суммар­ ной длины (а) н количества (б) изолированных микротрещин по ориентациям (а — угол между осью образца и направлением мпкротрещипы; сплошная вертикальная линия — центры группирования распределений, штриховая — ориентации площадки действия максимальных нормальных напряжений). Т = 98 К.

га трещины до встречи с очередным включением, среднее рассто­ яние между которыми (0,046 мм) одного порядка с указанной средней длиной свободного пробега. В то же время средний раз­ мер зерна более чем на порядок превышает величину 0,13 мм.

На рис. 134 в качестве примера представлены гистограммы, характеризующие распределение количества и суммарной дли­ ны изолированных микротрещин по ориентациям для темпера­ туры 98 К и двух исследованных соотношений главных напряже­ ний. Как видно из рисунка, центры группирования распределе­ ний в основном соответствуют направлениям площадок, на ко­ торых действуют максимальные растягивающие напряжения, что указывает на решающую роль этих напряжений в распростране­ нии трещин. Отклонение ориентации от среднего значения можно

Для указанных нескольких образцов были построены также гистограммы распределения количества и суммарной длины участ­ ков прямолинейного распространения микротрещины по ориен­ тациям. В этом случае отклонения ориентаций отдельных участ­ ков микротрещин от центра группирования более существенны. Это позволяет предполагать, что изменение направления разви­ тия трещины .внутри зерна контролируется в основном полями внутренних напряжений, наиболее эффективны из которых, повидимому, поля вокруг неметаллических включений. Поскольку в данных исследованиях не наблюдалось случаев остановки микро­ трещин перед включением, это дает основание полагать, что ха­ рактер поля внутренних напряжений вокруг включения таков, что способствует (или по крайней мере не препятствует) продви­ жению микротрещин. Если это так, то в сочетании со способностью включений блокировать полосы скольжения области вокруг

одно- и двухосного растяжения при температурах 173,123 и 98 К , проведенный на разрушенных образцах, показал, что количест­ во микротрещин, приходящихся на единицу поверхности шлифа рабочей части образца, существенно зависит как от температуры, так и от вида напряженного состояния. Как видно из рис. 135, количество микротрещин, приходящихся на единицу поверхнос­ ти, возрастает по мере увеличения гидростатического растяжения, причем интенсивность этого роста повышается с понижением тем­ пературы. Поскольку регистрация трещин проводилась на участ­

ках рабочей части образца, расположенных на достаточном уда­ лении от места разрушения, можно утверждать, что отмеченная закономерность получена в условиях контролируемого в экспе­ рименте вида напряженного состояния в предкритический момент (состояние металла, предшествующее разрушению). На основа­ нии полученных данных можно сделать некоторые выводы относи­ тельно причин такого поведения материала.

Наблюдавшееся (см. рис. 135) изменение плотности поверх­ ностных микротрещин может быть вызвано влиянием вида напря­ женного состояния на процессы как зарождения микротрещин, так и их раскрытия и роста до значительных размеров. При од­ ноосном растяжении набор проходящих через произвольную точку площадок, по которым действуют максимальные касатель­ ные напряжения, больше, чем при двух других напряженных состояниях (к = 0,667 и к — 1). Поэтому если бы обнаружен­ ная (см. рис. 135) закономерность была связана с зарождением микротрещин, то следовало бы ожидать большей плотности мик­ ротрещин при к — 0. Поскольку наблюдается обратная картина, можно предположить, что ответственно за увеличение плотности микротрещин с изменением напряженного состояния второе рас­ тягивающее напряжение, приводящее к дополнительному рас­ крытию тех микротрещин, которые благоприятно к нему ориен­ тированы.

Снижение температуры испытаний в свою очередь оказыва­ ет усиливающее воздействие на этот процесс. В случае двухос­ ного растяжения это является причиной уменьшения уровня разрушающих напряжений по сравнению с напряжениями при одноосном растяжении в одинаковых температурных условиях.

Любопытными оказались результаты изучения влияния вида напряженного состояния на величину пластической деформации на поверхности скола методом рентгеноструктурного анализа. В литературе имеется достаточное количество работ, посвященных этому вопросу, однако большинство из них, за исключением ис­ следований [57, 58], выполнены для случая одноосного растяже­ ния или изгиба. На изученных в данной работе крупнозернистых образцах, испытанных в условиях одно- и двухосного растяже­ ния при температуре 173 К, минимальная пластическая дефор­ мация на поверхности разрушения наблюдалась в случае одноос­ ного растяжения, о чем можно было судить по размытию пятен, и несколько возрастала при наложении второй растягивающей компоненты напряжений, причем максимальной величины дефор­

кривыми, приведенными на рис. 112, максимальная пластическая

о понижении степени пластической деформации на поверхности разрушения.

Таким образом, по мере перехода к более «жестким» видам нагружения (от одно- к двухосному растяжению) величина ло­ кальной пластической деформации непосредственно на поверх­ ности скола увеличивается. В то же время степень пластической деформации, предшествующей разрушению, при более «жестких»

авторов представляется, что этому факту можно найти достаточ­ но простое и естественное объяснение. Аналогично тому, как в указанных работах разрушению при кручении предшествовала значительно большая деформация, чем разрушению при растяже­ нии, в то время как на поверхности разрушения наблюдалась

к = 0,667 — только 1,8% . Совершенно очевидно, что в первом случае при разрушении трещине (и в том и в другом случае наблю­ далось разрушение сколом, см. табл. 19) приходится продвигаться по сильно наклепанному материалу, так что напряжение на контуре пластической зоны (предел текучести наклепанного материала) будет выше, чем во втором случае. В соответствии с формулой (2.15) пластическая зона во втором случае должна быть больше, чем в первом. Если учесть, что по этой причине при к = 0 скорость трещины должна быть выше, то большая скорость приводит к еще меньшей пластической зоне, чем в первом случае. Указанны­ ми причинами, по-видимому, и объясняются наблюдаемые резуль­ таты.

Полученные данные представляют также интерес с точки зре­ ния возможности установления эффективности того или иного механизма зарождения микротрещин. В частности, важно сравнить рис. 121 и 135. Необходимо отметить два различия в этих законо­ мерностях: во-первых, при всех исследованных условиях плот­ ность двойников более чем на два порядка превышает плотность микротрещин, во-вторых, обращает на себя внимание существен­ но различное поведение графиков в области отрицательных зна­ чений к. Хотя в описываемых экспериментах не наблюдалось фактов зарождения микротрещин на пересечении двойников, большое различие плотности микротрещин и двойников, по-види­ мому, не исключает полностью принципиальной возможности такого зарождения.