Лекция № 1.

Тема: ФЕНОМЕНОЛОГИЯ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1.1. Физические основы разрушения металлов

Теоретические расчеты показывают, что разрушение идеально твердого тела, представляющее собой отрыв атомных плоскостей, должно происходить при напряжении , где Е - модуль нормальной упругости. На практике разрушение кристаллических тел происходит при гораздо меньших напряжениях . Попытка объяснить расхождение между теоретической прочностью и прочностью, наблюдаемой в опытах, была сделана Гриффитсом. Он предположил, что низкая прочность обусловлена наличием в теле микротрещин, которые играют роль концентраторов напряжений. Зарождение микротрещин при сравнительно низких значениях напряжений объяснялось наличием дефектов кристаллической решетки, среди которых обычно выделяют точечные (вакансии и межузельные атомы), линейные (дислокации), поверх­ностные (субмикротрещины), объемные (микропоры). Существенным недостатком энергетической теории Гриффитса и его последователей является то, что она не учитывает влияния на разрушение пластической деформации.

Важную роль пластической деформации в разрушении кристаллов отметил А. В. Степанов. Изменяя условия протекания деформации, ему удалось «путем устранения разрыхляющего действия пластической де­формации на прочность» добиться увеличения практической прочности каменной соли в 25 раз. Дальнейшую конкретизацию идея А. В. Степанова получила в работах, рассматривающих вопросы развития разруше­ния в условиях пластической деформации.

Важное значение имеют опыты, проведенные В. А. Павловым в Институте физики металлов Уральского научного центра, по изучению возникновения и развития микроскопических трещин при пластической деформации аморфных (плексиглас) и кристаллических (алюминий) веществ.

Было обнаружено, что при равномерном, однородном растяжении образцов плексигласа образование микроскопических трещин происходит совершенно равномерно по всей поверхности образца. В. А. Павлов искусственно вызывал локализацию пластической деформации и наблюдал, что микроскопические трещины возникают преимущественно в наиболее деформированных местах.

Он обнаружил, что при деформировании алюминия микроскопические трещины сосредоточиваются в следах скольжения, и каждая трещина ориентируется приблизительно перпендикулярно направлению действия максимальных растягивающих напряжений, не зависимо от ориентации следов скольжения. При больших деформациях между этими микроскопическими трещинами возникают трещины, ориентированные вдоль следа скольжения, появление которых В. А. Павлов объясняет разрыхляющим действием пластической деформации и, как следствие ее действия, значительным уменьшением прочности на отрыв по плоскости скольжения.

Рис. 1.1. Схема возникновения межзеренных трещин в результате

Скольжения по границам зерен.

Определяющая роль пластической деформации при разрушении металла показана во многих работах. Очевидно, что завершение пластической деформации разрушением является следствием возникновения и развития субмикро- , микро-, и макроскопических дефектов металла в процессе пластической деформации.

Большинство работ посвящено начальным стадиям разрушения и поясняет механизм образования микротрещин. Все механизмы зарождения микротрещин можно подразделить на дислокационные и диффузионные, кроме того, микротрещины могут образовываться при межзеренном сдвиге.

Считают, что при высоких температурах и низких напряжениях пластическая деформация протекает преимущественно вакансионным путем. Возникновение зародышевых трещин в этом случае объясняется диффузией и коагуляцией вакантных мест на границах зерен. В ряде случаев это предположение подтвердилось результатами экспериментальных наблюдений, показывающих, что число пор увеличивается с ростом температуры (увеличение числа вакансий) и с уменьшением скорости ползучести (увеличение времени диффузии).

В. С. Иванова считает, что все известные дислокационные механизмы зарождения трещин могут быть разделены на три группы.

К первой группе отнесены модели, базирующиеся на концепции нагромождения дислокаций в отдельных плоскостях скольжения. Эти нагромождения возникают при встрече движущимися дислокациями прочных препятствий, которыми могут быть границы зерен с большими углами разориентировки, прочные инородные включения, сильное поле напряжений ранее возникшей трещины и др. Возникновение зародышевой трещины происходит в результате взаимодействия дислокаций, расположенных в данной плоскости скольжения, и обусловлено полями упругих напряжений в голове скопления. К этой группе можно отнести модели, разработанные Е. Зинером, А. Стро, Дж. Гилманом, В. Н. Рожанским и др.

Ко второй группе относят модели, связывающие возникновение микротрещин с образованием нагромож­дений в процессе развития пластической деформации и взаимодействием дислокаций, расположенных в пере­секающихся системах скольжения: полоса скольжения - полоса скольжения (рис. 1.2), двойник — двойник (рис. 1.4 а, б). Теоретическая модель образования трещин в результате пересечения активных плоскостей сколь­жения, предложенная А. Коттреллом, получила экспериментальное подтверждение в работах Р. Хонда и Т. Джонстона.

Рис. 1. 2. Схема зарождения поры при пересечении границы зерна полосой скольжения внутри зерна

Рис.1. 3. Схемы зарождения трещин в результате блокировки скольжения.

а — у границы зерна; б — у включения; в — у «ножа» напряжений ранее возникшей трещины; г – при пересечении двойника с межзеренной границей.

Наконец, третья группа включает безбарьерные модели, согласно которым трещины образуются в результате взаимодействия дефектов кристаллической решетки (дислокаций, вакансий и др.) при пластической де­формации.

Рис. 1.4. Схемы зарождения трещин при пересечении полосы скольжения с полосой скольжения (а) и двойника с двойником (б)

Д. К. Булычев, Б. И. Береснев и другие исследовали влияние гидростатического давления на «залечивание» пор и трещин. Эксперименты с медными образцами, пораженными дефектами типа пор и трещин, показали, что гидростатическое сжатие до 100 000 атмосфер, не сопровождаемое пластической деформацией, не в состоянии устранить в металле дефекты.

Гидростатическое давление, сопровождаемое пластической деформацией достаточной величины, полностью устраняет указанные дефекты, о чем свидетельствует повышение механических свойств металла с дефектами до уровня свойств бездефектного металла. При растяжении меди с дефектами под гидростатическим давлением наблюдалось повышение пластичности. При давлении 4000 атмосфер пластичность достигает уровня пластичности бездефектного металла (рис. 7).

Я. Е. Гегузин, изучая кинетику изменения радиуса изолированной поры в кристаллическом теле, рассматривает два механизма «залечивания» дефектов при высоких температурах: механизм вязкого течения и механизм диффузионного растворения поры.

«Залечивание» поры механизмом диффузионного растворения осуществляется путем повакансионного перемещения поры к внешней границе образца. Кроме названных механизмов, «залечивание» поры может происходить путем заполнения ее объема веществом, которое перемещается вследствие пластического течения при деформировании. При изучении кинетики «залечивания» дефектов Я. Е. Гегузин указывает на положительное влияние температуры и гидростатического давления. Оно объясняется резким повышением коэффициента диффузии с увеличением температуры. Поло­жительное влияние гидростатического сжатия он объясняет увеличением критического размера «залечивающихся» пор. Благоприятное влияние пластической деформации на заваривание дефектов можно объяснить, во-первых, сближением берегов трещины и, во-вторых, увеличением диффузионной активности вследствие искажений структуры. Коэффициенты диффузии могут быть повышены на несколько порядков, следовательно, возрастет интенсивность залечивания дефектов в металле.

Можно указать на ряд работ, иллюстрирующих «залечивание» дефектов при процессах обработки металлов давлением. Большинство исследователей различают две стадии разрушения: докритическую и закритическую. На пер­вой, наиболее продолжительной, протекает пластическая деформация, ведущая к зарождению и медленному вязкому подрастанию микротрещины. На второй стадии происходит лавинообразное разрушение, в большинствеслучаев представляющее собой быстрый рост макротрещины, предельная скорость распространения которой по отношению к скорости звука для сталей составляет 0,2 - 0,9.

Резюмируя обзор работ, посвященных исследованию физики разрушения, необходимо отметить следующее. Процесс пластической деформации сопровождается пластическим разрыхлением материала. На самых начальных стадиях это происходит за счет размножения дислокаций, в дальнейшем - за счет образования и развития микропор и микротрещин. Причем процесс разрушения анизотропен. Микротрещины преимущественно локализуются в полосах скольжения, и ориентация их зависит от направления максимального растягивающего напряжения, хотя в процессе интенсивной пластической деформации вторичные микротрещины могут располагаться в направлении полосы скольжения.

Одновременно с возникновением и развитием микротрещин могут происходить процессы «залечивания» дефектов. Повышение температуры, рост гидростатического сжатия и знакопеременный характер, развития де­формации стимулируют заваривание дефектов.

Интенсивность пластического разрушения определяется соотношением скорости образования и залечивания микротрещин и зависит от физической природы материала, а также от термомеханических условий процесса пластической, деформации.

Образование макротрещин происходит путем объединения микронарушений сплошности металла при достижении величиной пластического разрыхления критического значения.