8 Механизмы зарождения микротрещин в металлах и сплавах

Разрушение металлов и сплавов происходит путем образования и развития трещин и собственно разрушение заканчивается разделением образца, детали или конструкции на отдельные части.

Разрушение принято классифицировать с учетом пластической деформации, предшествовавшей ему, а также с учетом характера распространения трещины в металле. Если разрушению предшествовала значительная пластическая деформация, разрушение называют вязким, если же пластическая деформация составляла менее 1-2%, разрушение считают хрупким.

8.1 Дислокационные схемы образования трещин.

В поликристаллическом теле рассмотрим два зерна А и В (рис.8.1а).

Рис.8.1. Поле напряжений вокруг положительной дислокации

Под действием напряжения τ источник в точке М генерирует дислокации, которые передвигаются в плоскости скольжения MN. Перед препятствием в виде границ зерен CD дислокации скапливаются. При этом на границу зерна будет действовать головная дислокация с силой, примерно равной F = τ·b·n, где n – число дислокаций, действующих на головную. На рис. 8.1 представлена схема распределения поля напряжений вокруг положительной дислокации. На границе возникает концентрация как касательных, так и нормальных напряжений. При достижении растягивающих напряжений (+) критического значения произойдет разрыв межатомных связей с образованием микротрещины. При этом ширина раскрытия трещины равна nb. Так для нитевидных кристаллов железа с теоретической прочностью σ_теор ~ 13,4·10³ МПа было подсчитано число дислокаций в скоплении n = 231. Полученная оценка числа дислокаций в скоплении подтвердила реальность рассмотренного механизма образования трещин.

На рис.8.2 представлена возможная ситуация расположения дислокаций. Внутри объема между дислокациями их поля растягивающих напряжений складываются. При достижении предельного напряжения в междислокационном объеме металл может лопнуть с образованием трещин.

Рис.8.3. Образование трещины в междислокационном объеме	Рис.8.4. Скопление дислокаций около сидячей дислокации

Скопление дислокаций около сидячей дислокации (рис.8.4). Механизм разработан Котреллом и основан на взаимодействии дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения. Две дислокации с векторами Бюргерса и , перемещаясь, сливаются с образованием новой дислокации с большим вектором .

В железе с решеткой ОЦК этому процессу соответствует дислокационная реакция .

Вновь образовавшаяся дислокация с вектором приводит к образованию трещины в плоскости (001) – рис.8.4. Рост трещины происходит по мере продвижения к ней скопившихся дислокаций в плоскостях скольжения и (101) и заглатывания их первичной трещиной. Такая схема формирования трещин не требует в металле наличия барьеров для дислокаций.

Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости сдвига, отталкиваются, в чем можно убедиться, исследуя данные ранее уравнения для поля напряжений вокруг дислокации. Если, преодолевая отталкивание, сильным воздействием все же сблизить дислокации так, чтобы их экстраплоскости встали рядом, то наиболее вероятным исходом такой насильственной операции будет образование микротрещины в кристалле.

Аналогичные ситуации, приводящие к образованию трещин, могут возникать и при взаимодействии двойников.