8.2. Роль границ зерен в разрушении
Важное место в разрушении поликристаллических металлов и сплавов играют границы зерен.
В поликристаллическом теле зерна произвольно ориентированы в пространстве. В связи с этим различные зерна не находятся под действием одноосной системы напряжений при растяжении образца. Следовательно, поведение отдельных зерен будет различно, и это различие будет сказываться, в частности, на ограничении их деформации.
Модель границы зерна Мотта предусматривает, что в границах с большими углами разориентации ядра дислокаций располагаются очень близко друг к другу, и их индивидуальные особенности стираются, и дислокации уже нельзя рассматривать как самостоятельные дефекты. Происходит как бы сильное взаимодействие ядер дислокаций с точечными дефектами, что резко усложняет физическую картину происходящих явлений. Таким образом, границы зерен представляют собой тонкую полоску скопления большого количества дислокаций с сильно нарушенной кристаллической структурой вблизи поверхностей соприкосновения зерен.
Ранее было рассмотрено, что энергия границ зерен (Fгр) больше энергии тела зерна (Fтела), т.е. ΔF = Fгр - Fтела ≠ 0. Свидетельством этого является повышенная травимость границ зерен, коэффициент диффузии по границам зерен значительно больше, чем по телу зерна. Следовательно, границы обладают избытком энергии, которая может быть превращена в работу.
В объеме металла в зависимости от способа его получения практически всегда присутствуют примеси атомов различных элементов, например, углерода, кислорода, азота и т.п. При благоприятных термодинамических условиях, например, при повышенных температурах примесные атомы могут притягиваться к границам зерен, уменьшая их энергию. Диффузия примесных атомов из тела зерна, например, углерода в железе может приводить к реакции на границе зерна типа 3Fe + C →Fe3C и образованию хрупких частиц химического соединения карбида железа (цементита). В результате границы зерен упрочняются. Однако, как известно, в материалах с неоднородной структурой по свойствам (тело зерна и граница) возникает неоднородная пластическая деформация при нагружении, приводящая к уменьшению предельной пластичности материала и разрушению его по границам.
Рассмотрим модель зарождения трещин в материалах при испытаниях в условиях высоких температур (рис.8.5).
Рис.8.5. Модель зарождения трещин при высокотемпературных испытаниях |
Трещины могут возникать на границах двух зерен (кристаллов). На границе между кристаллами А и В находится маленькая ступенька (рис.8.5). Под действием касательных напряжений кристаллы сдвигаются и образуются трещины, как показано на рис. 8.5, а возле ступеньки пустота – пора. В этом слу- |
чае нет перемещений дислокаций, так как есть проскальзывание границ зерен. Это вязкие трещины. Поэтому природа таких трещин иная, чем возникающих от взаимодействия дислокаций. Их природа явно связана с уравнением Аррениуса. Чем выше температура, тем чаще встречаются такого рода трещины и тем, как правило, опаснее межзеренное разрушение. Это же наблюдается на практике.