Разрушение вязкое и хрупкое. Вязко-хрупкий переход

Сила, действующая на дислокацию. Скольжение и переползание дислокаций.

Сила, действующая на дислокацию. Скольжение и

переползание дислокаций……………........................................................................2

2. Разрушение вязкое и хрупкое. Вязко-хрупкий переход……………….2

Библиография………………………………………………………………12

В результате приложения к кристаллу внешних напряжений появляется сила, действующая на дислокации внутри кристалла. Мотт и Набарро определили эту силу следующим образом.

Рассмотрим прямоугольную плоскость скольжения шириной l1 и длиной l2, к которой приложено напряжение сдвига τ. Сила, действующая на плоскость скольжения, равна τ1l2l3. Если дислокационная линия длиной l1 с вектором Бюргерса b перемещается от одного конца плоскости скольжения до другого, т.е. на расстояние l2, то возникает смещение величиной b. Таким образом, работа, производимая при процессе скольжения, равна τl1l2b.

Если на единицу длины дислокационной линии приходится сила F, то полная сила на всю линию дислокации равна Fl1 и работа, производимая дислокацией при движении на расстоянии l2, определяется выражением Fl1l2.

Эти два выражения для производимой работы, одно из которых относится ко всей плоскости скольжения, а другое – только к дислокации, должны быть равны, т.е.

Fl1l2 = τl1l2b,

Или

F = τb.

Таким образом, сила, действующая на дислокацию, является произведением напряжения сдвига на вектор Бюргерса. Эта сила действует вдоль плоскости скольжения нормально дислокации, какой бы конфигурации она ни была, и направлена в материале туда, куда дислокация еще не пошла. Это аналогично давлению, производимому газом на стенки содержащего его сосуда.

Переползание дислокаций — перемещение краевой дислокации из одной плоскости скольжения в другую, ей параллельную, за счет диффузии к линии дислокации междоузельных атомов или вакансий; перемещение происходит путем смещения края экстра-плоскости в результате присоединения к ней или отрыва от нее диффундирующего атома

Скольжение дислокаций — перемещение одной части кристалла по отношению к другой, происходящее по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям; осуществляется путем возникновения и движения дислокаций.

Термин «вязкость» служит для обозначения способности материала испытывать пластические деформации и поглощать энергию до и во время разрушения. Термины «хрупкий» и «пластический» используются для различения типов разрушений или материалов, характеризуемых слабой или сильной вязкостью. Разрушение сколом — наиболее хрупкая форма разрушения, которое может произойти в кристаллических материалах. Хрупкие разрушения в кораблях, мостах, наливных танках привели к тому, что разрушение сколом стало наиболее распространенным типом разрушений. При низких температурах и больших степенях деформирования вероятность наступления хрупкого разрушения увеличивается, как это проиллюстрировано на известной диаграмме вязкохрупкого перехода в стали (рис. 2.1). Ниже уровня перехода для разрушения требуется лишь небольшая энергия, при этом сталь ведет себя как хрупкий материал.

Рис. 2.1. Вязкохрупкий переход в стали

Разрушение сколом происходит благодаря простому разрыву атомных связей при непосредственном отделении кристаллографических плоскостей. Его главной отличительной особенностью является то, что он связан с определенной кристаллографической плоскостью. Железо, например, разрушается сколом вдоль кубических плоскостей своей элементарной ячейки. При этом поверхность разрушения в пределах одного кристаллического зерна сравнительно плоская, как показано па рис. 2.2.

Рис. 2.2. Распространение трещины через кристаллические зерна при хрупком разрушении

Поскольку соседние кристаллические зерна имеют различную ориентацию, хрупкое разрушение на границе кристаллического зерна меняет свое направление и продолжает распространяться в наиболее выгодной поверхности скола. Плоские грани скола внутри кристалла имеют высокую отражательную способность, что делает поверхность хрупкого разрушения блестящей, как видно из рис. 2.3.

Рассматривая грани скола в оптический или электронный микроскоп, можно заметить, что эта поверхность имеет небольшие неровности. В пределах одного кристаллического зерна трещина может распространяться одновременно по двум параллельным кристаллографическим плоскостям (рис. 2.4, а). Две параллельные трещины соединяются по линии, перекрывая друг друга, либо за счет вторичного скола, либо за счет сдвига с образованием ступеньки. Ступеньки скола могут также зародиться внутри кристалла при прохождении трещины через винтовую дислокацию, как показано на рис. 2.4, б.

Рис. 2.3. Хрупкое (а) и вязкое (б) разрушения в низкопрочной стали, вызванные трещиной при циклическом нагружении (область А). Обратите внимание на различия зон пластических деформаций

Обычно ступенька скола параллельна направлению распространения трещины и перпендикулярна плоскости трещины, поскольку при этом минимальна энергия ее образования из-за того, что минимальна дополнительная свободная поверхность. Несколько ступенек скола могут объединиться и образовать составную ступеньку; могут объединиться также ступеньки противоположных знаков, что приведет к их исчезновению. Слияние ступенек скола приводит к образованию речных узоров, которые получили свое название из-за сходства с рекой, имеющей притоки. Речные узоры часто образуются при проникновении трещины через границу кристаллического зерна, как показано на рис. 2.4 в. Трещина скола распространяется вдоль определенной кристаллографической плоскости: когда трещина проходит через границу кристаллического зерна, ей приходится проникать в кристаллическое зерно с другой ориентацией. Если граница кристаллического зерна витая (рис. 2.4, в), то трещина может вновь зародиться в уже совершенно по-иному ориентированной плоскости скола. Это может произойти в нескольких местах и привести к образованию трещины в новом кристалле.

При этом может образоваться несколько ступенек скола, объединение которых приведет к образованию речного узора. Притоки речного узора всегда соединяются в «нижнем течении», что дает возможность определить по микрофотографии направление распространения локальной трещины. Ступеньки скола и речные узоры видны на электронной микрофотографии, представленной на рис. 2.5. В этих местах возможны небольшие зоны пластических деформаций. Для образования пластических деформаций необходима энергия, поэтому речные узоры и ступеньки скола наиболее часто наблюдаются при температурах, близких к температуре вязкохрупкого перехода.

Рис. 2.4. Образование ступенек скола:

а — соединение параллельных трещин за счет вторичного скола (А) или сдвига (В); б — образование ступенек скола при прохождении трещины через винтовую дислокацию; в — образование речного узора после прохождения трещины через границу кристаллического зерна; 1 —плоскость трещины; 2 — винтовая дислокация; 3 — ступенька скола; 4 — направление распространения трещины; 5 — витая граница; 6 — речной узор

Рис. 2.5. Ступеньки скола и речные узоры, образованные в мягкой стали на границах кристаллических зерен

Отличительной чертой разрушения сколом являются также языки скола, получившие название из-за своей формы. На рис. 2.6 изображены языки скола различных размеров. Полагают, что они образуются при местном разрушении вдоль поверхности раздела двойниковой кристаллической решетки (двойниковые кристаллы образуются в результате больших деформаций, возникающих перед развивающейся трещиной). Существует мнение, что в железе языки образуются тогда, когда трещина скола, развиваясь вдоль плоскости (100), пересекает поверхность раздела двойникового кристалла (112) и распространяется по ней на некоторое расстояние, в то время как в двойниковом кристалле продолжается скол вдоль плоскости (100). Окончательное отделение происходит при разрушении двойникового кристалла.

Подтверждение процесса образования языков можно получить из стереографических измерений. Оказывается, возможны различные виды взаимодействий с двойниковыми кристаллами. Проиллюстрируем одну из таких возможностей. На рис. 2.7 изображено сечение кристаллической решетки bcc двойникового кристалла вдоль кристаллической плоскости (110). Соединительной плоскостью двойникового кристалла в этой решетке является плоскость (112). Эта плоскость перпендикулярна плоскости (110), т. е. перпендикулярна плоскости рисунка и пересекает плоскость (110) вдоль направления [111]. Предполагается, что трещина распространяется вдоль (001) [110] от A к B, где натыкается на двойниковый кристалл. После этого ее распространение продолжается вдоль поверхности раздела двойниковой кристаллической решетки (112) [111] от B к С. Одновременно основная трещина может обойти двойниковый кристалл (вне плоскости рисунка) и продолжить распространение вдоль ОЕ; в результате двойниковый кристалл разрушится вдоль CD. Это приводит к образованию языка скола BCD. При этом подразумевается, что плоский угол языка скола должен иметь определенный размер (в данном случае 35°16'), что было подтверждено стереографическими измерениями.

Рис. 2.6. Языки скола (указаны стрелками)

Рис. 2.7. Образование языка скола BCD при прохождении трещины через двойниковый кристалл

На рис. 2.8 приведено изображение другой характерной для скола особенности —шевронной структуры. Этот рисунок представляет собой фрактографию поверхности скола мягкой стали — с низким содержанием углерода. Полагают, что прямая полоса между стрелками A в центре шевронной структуры (т. е. ее ствол) является плоскостью скола (100), а ветви по обе стороны от нее являются пересечениями поверхности (1000) с двойниковыми кристаллами. Наличие на ветвях языков Е подтверждает эту точку зрения. При нормальных условиях в кристаллических структурах с гранецентрической кубической решеткой скол не происходит: в этих материалах, прежде чем напряжение достигнет величины напряжения скола, всегда образуются значительные пластические деформации. Скол образуется в кубических объемно-центрированных структурах (bcc) и в гексагональных структурах с плотной упаковкой (hcp). Сколу, в частности, подвержены железо и малоуглеродистая сталь (bcc). Вольфрам, молибден, хром (все bcc), а также цинк, бериллий и магний (все hcp) — материалы, способные разрушаться сколом.

Рис. 2.8. Шевронная структура (отмечена стрелками A); речной узор B; большие ступени D; языки E. Маленькие стрелки указывают местное направление распространения трещины

Разрушение, наступающее при однократном приложении постоянно возрастающей нагрузки, может быть либо хрупким, либо связанным с пластическими деформациями, т. е. существенно вязким. Для последнего типа разрушения величина пластической деформации, необходимой для разрушения, при определенных условиях может быть ограничена так, что при разрушении будет расходоваться сравнительно небольшая энергия. В этом случае, с инженерной точки зрения, разрушение остается хрупким и может быть вызвано острой выемкой или трещиной при сравнительно малых номинальных напряжениях, в особенности когда плоское деформированное состояние уменьшает возможность образования пластических деформаций.

Наиболее известным типом пластического разрушения является разрушение при перегрузке растягивающими силами классическое разрушение с чашечкой и конусом. По достижении максимальной нагрузки пластическое удлинение призматического образца становится неоднородным и концентрируется в малой части образца так, что образуется шейка. В особо чистых металлах, в которых практически отсутствуют частицы второго рода, пластические деформации на парных плоскостях скольжения могут продолжаться до тех пор, пока образование шейки не приведет к тому, что площадь сечения в узком месте станет равной нулю (рис. 2.9). Геометрически такое разрушение характеризуется последовательными деформациями сдвига. В качестве примера на рис. 2.10 показаны монокристаллы, почти полностью разрушенные за счет сдвига по одной плоскости скольжения.

В конструкционных материалах всегда содержится большое количество частиц второго рода. Можно выделить три типа частиц:

- большие частицы, видимые в оптический микроскоп. Их размер может меняться в пределах от 1 до 20 мкм. Обычно они состоят из сложных соединений различных легирующих добавок. Легирующие добавки вносят для улучшения литейных качеств или иных свойств. Эти частицы не оказывают существенного влияния на прочность материала. Однако в некоторых случаях частицы этого размера могут быть внесены специально, как, например, карбиды в некоторых сталях;

- промежуточные частицы, видимые только в электронный микроскоп. Их размер имеет порядок 500–5000 Å. Эти частицы могут также состоять из сложных соединений различных легирующих добавок. Иногда они оказывают существенное влияние на свойства материала, как в случае металлов, упрочненных дисперсией окислов (например, Al–Al2O3 или Ni–ThO2), и в случае сталей, в которые частицы карбида такого размера вносят намеренно;

- осажденные частицы, видимые в некоторых случаях в электронный микроскоп. Их размер имеет порядок 50–500 Å. Эти частицы средствами термообработки и старения образуют в сплаве намеренно, чтобы получить требуемый предел текучести.

Крупные частицы часто бывают очень хрупкими и не могут приспособиться к пластическим деформациям окружающей кристаллической решетки. Поэтому при больших пластических деформациях кристаллической решетки они очень скоро разрушаются, что ведет к образованию в них пустот. Образование пустот в больших частицах можно наблюдать с помощью оптического микроскопа. На рис. 2.11 показаны различные этапы этого процесса. При сравнении расстояний между определенными включениями на различных этапах можно заметить увеличение деформации.

Рис. 2.9. Разрушение в чистом металле за счет деформации сдвига (скольжения)

Рис. 2.10. Деформации сдвига в монокристаллах чистой меди (по Вейнеру)

Из рисунка видно, что пустоты порождаются большими частицами уже при малых деформациях порядка нескольких процентов, в то время как окончательное разрушение происходит при деформациях порядка 25 %. Поэтому большие включения, видимые в оптический микроскоп, не могут быть ответственны за процесс разрушения, хотя они и уменьшают вязкость материала. Разрушение этих частиц приводит к образованию концентрации напряжений и локальному увеличению деформации. Если бы эти частицы отсутствовали, то достигнуть таких деформаций можно было бы только за счет общего деформирования всех точек материала. Это значит, что крупные включения могут определять время и место вязкого разрушения, но не играют роли в самом процессе вязкого разрушения.

В конечном счете разрушение порождается гораздо более мелкими частицами — менее. Поскольку эти частицы не могут деформироваться так же легко, как кристаллическая решетка, то при возникновении в их окрестности обширной пластической зоны они теряют сцепление с кристаллической решеткой. Таким образом образуются микроскопические пустоты, которые растут за счет скольжения: в материале между пустотами образуется шейка, при этом площадь сечения в этом месте уменьшается на все 100% (см. рис. 2.9). Этот процесс образования шейки происходит в микроскопическом масштабе, и получающееся в результате удлинение невелико.

Рис. 2.11. Образование трещин в крупных частицах сплава Al–Cu–Mg. Обратите внимание на развитие трещины между точками N, Q и P. Растяжение происходит в вертикальном направлении и составляет: a–3%; 6–6%; в–14%; г–25%

Подобный механизм зарождения, роста и слияния микропустот имеет на электронных микрофотограммах отличительные черты. Рассматривая разрушенную поверхность в микроскоп, можно заметить, что она состоит из маленьких ямок, которые представляют собой слившиеся пустоты (рис. 2.12). В большинстве случаев инициаторами образования ямок являются частицы, поэтому пустоты легко распознать.

Рис. 2.12. Образование ямок за счет частиц промежуточных размеров (ямки указаны стрелками). Алюминиевый сплав

Из-за случайного расположения пустот ямки всегда имеют неправильную форму. Однако в первом приближении ямки в соответствии с их формой можно разделить на две категории: равноосные и параболические. Форма ямок, в которой они появляются в поле зрения микроскопа, зависит от системы нагрузок, действовавших во время их образования, и от угла, под которым они рассматриваются в микроскоп. Равноосные ямки могут образовываться тогда, когда напряжения являются главным образом растягивающими (рис. 2.13, а), а удлиненные ямки — в случае сдвига или разрыва (рис. 2.13, б, в).

Рис. 2.13. Образование ямок различных типов

Библиография

Г.С. Писаренко, Н.С. Можаровский. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучисти 1981 г.

Л. С. Лейбензон Курс теории упругости. Издание 2.

Дата добавления: 2015-07-02