Контрольные вопросы

1. Перечислите основные виды разрушения металлов.

2. Объясните механизмы образования трещин.

3. Опишите случаи хрупкости металлов и сплавов.

Дислокационные модели процесса разрушения

Феноменологическая теория хрупкого разрушения не рассматривает причин образования трещин, а основана на их наличии. Теория дислокаций объясняет физический механизм образования трещин. В настоящее время на­коплено достаточно экспериментальных данных, подтверждающих предложенные возможные механизмы об­разования зародышей трещин, доказывающих, что и хрупкому разрушению в кристаллах предшествует пла­стическая деформация, но путь движения дислокаций и соответствующая этому пути деформация непосредст­венно перед распространением трещины весьма малы.

Рис. 225. Схемы дислокационных механизмов образования субмикротрещин:

а — модель Зинера, Мотта и Стро; б —модель Коттрелла; в — модель разры­ва дислокационной стенки; г — схема возникновения трещины при встрече двух двойников; д — схема торможения одного двойника другим

Предложено несколько дислокационных схем обра­зования субмикротрещин.

Согласно простейшей модели Стро—Мотта перед различными препятствиями образуются плоские скопле­ния скользящих дислокаций, что приводит к сильной кон­центрации напряжений, достаточной для образования трещины. Препятствиями, вызывающими образование дислокационных скоплений (рис. 225, а), могут быть дислокации в пересекающихся плоскостях, дислокационные стенки, границы двойников, субзерен, зерен, межфазные границы, инородные включения и т.д. В плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, действуют растя­гивающие напряжения, достигающие величины теорети­ческого разрушающего напряжения. Однако трещина не формируется перпендикулярно плоскости скольжения. Стро установил, что растягивающее напряжение , под действием которого происходит разрушение, достигает максимальной величины при θ = 70,5° к плоскости сколь­жения и

, (162)

где — приложенное напряжение сдвига в плоскости скопления; L — длина скопления дислокаций в плоскости скольжения; — длина тре­щины.

Расчеты по формуле (162) показывают, что количест­во дислокаций в скоплении достигает 10²—10³, когда ве­личина локальных касательных напряжений у вершины скопления равна 0,7G. Такое количество дислокаций при выходе на поверхность кристалла образует ступеньку порядка нескольких тысяч нанометров, что хорошо со­гласуется с экспериментальным определением высоты ступенек. Это подтверждает принципиальную возможность образования в плоскости (пачке) скольжения до­статочно мощного скопления дислокаций для образова­ния трещины по механизму Стро—Мотта. Особенностью указанной теории является то, что для образования субмикротрещины необходимо накопление достаточного количества дислокаций, обусловливающих пластическое течение, значительно большее, чем это необходимо для возникновения скольжения в соседних зернах.

Согласно другому механизму, предложенному Коттреллом, дислокации движутся в двух пересекающихся полосах скольжения, сливаются вдоль линии пересечения и образуют раскалывающую дислокацию (рис. 225,6). В железе этому процессу соответствует дислокационная реакция , которая приводит к образованию трещины в плоскости (001), являющейся Плоскостью скола. Многократное повторение реакции приводит к слиянию дислокаций , вызывая образо­вание' зародышевой трещины Гриффитса. Эта схема не требует наличия барьеров для дислокаций. Дислокации (в отличие от аналогичной по типу дислокаци­онной реакции с образованием неподвижных дислокаций Ломер—Коттрелла) являются подвижными и мо­гут задерживаться препятствиями с последующим накоплением дислокаций у препятствий.

Рис. 226. Схема зарождения трещи­ны в стыке трех зерен за счет межзеренных смещений:

а — до начала смещения (стрелка­ми показаны направления смеще­ния); б — после образования тре­щины

Зарождение трещин в металлах с г.п.у. решеткой наблюдается в результате перемещения дислокаций по базисной плоскости с об­разованием дислокационной стенки (рис. 225, в). Вели­чина касательных напряже­ний может оказаться столь значительной, что произой­дет разрыв дислокационной стенки: части дислокацион­ных стенок расходятся, а нормальные к плоскости скольжения напряжения , увеличивающиеся с ростом угла разориентации, вызывают появление трещины. Ус­ловия возникновения трещины приближенно записыва­ются в виде

, (163)

где — касательные напряжения в плоскости сколь­жения; L — протяженность дислокационной стенки.

Имеются и другие механизмы образования зароды­шевых трещин, детальный анализ которых выполнен В. И. Трефиловым, В. Л. Иденбомом, Т. Екобори и др. Например, часто зарождение трещин наблюдается в месте встречи двойника деформации с каким-либо труд­но проницаемым барьером: границей зерна или другим двойником (рис. 225,г, д). Двойники распространяются с высокой скоростью и возникающие при столкновении с препятствием напряжения не успевают релаксировать. Особенно благоприятные условия для зарождения тре­щин создаются при встрече растущего двойника дефор­мации с ранее образовавшимся, для которого было ха­рактерно другое направление двойникования (см. рис. 225, д). В этом случае концентрация напряжений в месте встречи особенно велика. В поликристаллах и особенно в условиях сильно развитой межзеренной деформации увеличивается вероятность зарождения трещин на границах перемещающихся друг относительно друга кристаллитов (рис. 226).

В результате межзеренных смещений на стыке трех зерен образуется микротрещина, которая в дальнейшем может распространяться как трещина Гриффитса. Такой механизм образования зародышевых трещин наблюдает­ся при высокотемпературных длительных испытаниях.