Порошковое материаловедение. Часть 1. Основы теоретического материало

По приведенным данным нельзя сделать вывод о характере температурной зависимости деформирующих напряжений. Как отмечалось, при наличии «атмосферы» Коттрелла критическое скалывающее напряжение зависит от температуры, так как тепловые флуктуации способствуют отрыву дислокаций от примесей. «Химическое» взаимодействие и упорядоченное состояние сохраняют свое влияние до высоких температур, если степень упорядочения не изменяется с температурой.

6.4.Упрочнение частицами дисперсной фазы

Впредыдущем подразделе рассмотрено упрочнение применительно к твердым растворам с равновесным распределением легирующего элемента (если не учитывать влияние дислокаций). Единственным нарушением хаотического распределения было состояние упорядочения.

Однако однофазные сплавы обычно не имеют достаточной прочности при сложных условиях работы. В таких условиях в большинстве случаев используются многофазные сплавы,

вчастности сплавы, содержащие равномерно распределенные дисперсные включения второй фазы.

Вбольшинстве имеющихся теорий упрочнение второй фазой рассматривается с использованием дислокационной модели.

Мотт и Набарро выдвинули теорию остаточных напряжений, возникающих за счет выделения дисперсной фазы. Поля напряжений, появляющиеся вокруг дисперсных фаз, препятствуют пластической деформации, так как для движения дислокаций необходимо приложить напряжение, приблизительно равное средней величине напряжений, возникающих от выделения дисперсной фазы:

где C b – концентрация атомов В в А; – относительная разница эффективных радиусов А и В.

131

Для объяснения постоянно наблюдающейся зависимости напряжения пластического течения от расстояния между частицами Мотт и Набарро ввели понятие гибкости дислокационной линии, т.е. способности дислокации «извиваться», продвигаясь между включениями при напряжении, меньшем предельного σi .

где r c – минимальный радиус кривизны изгиба дислокации

при напряжении σ.

Дислокационные петли меньших размеров не устойчивы. Рассмотрим три случая:

1)<< r c , где – межчастичное расстояние;

2)≈ r c , в этом случае напряжение течения

3) >> r c , напряжение течения равно напряжению, способному изогнуть дислокацию до радиуса /2:

Первый случай был разобран нами при рассмотрении упрочнения твердых растворов, второй случай является вариантом оптимального упрочнения, третий относится к перестаренным сплавам, когда расстояние между частицами так велико, что дислокации могут, изгибаясь, проходить между частицами, оставляя вокруг них дислокационные петли.

Орован, в отличие от Мотта и Набарро, считает, что напряжение пластической деформации равно напряжению, необходимому для того, чтобы изогнуть дислокацию с радиусом изгиба /2. При этом Орован не учитывает напряжений от оставшихся петель дислокаций. Тогда напряжение течения

132

где – расстояние между дисперсными выделениями. Уравнения (107) и (108) не отличаются друг от друга. Од-

нако, если, по Мотту и Набарро, при Gb2σ напряжение те-

чения не снижается и остается на уровне τ 2GCb , то, по

Оровану, с увеличением напряжение течения уменьшается; это соответствует многочисленным экспериментальным дан-

ным. По-видимому, при Gb2σ механизм Мотта и Набарро

сменяется механизмом Орована. Орован считает, что пластическая деформация происходит тогда, когда напряжение от накапливающихся дислокационных петель превышает предел текучести, сами же петли на напряженное состояние в плоскости скольжения не влияют.

Анселом и Ленелем предложена модель, предусматривающая сдвиг или разрушение частиц второй фазы. Для этого

где G – модуль сдвига основы сплава; G* – модуль сдвига дисперсных частиц второй фазы; – расстояние между частицами второй фазы; b – вектор Бюргерса; с – постоянная.

По мнению Фишера, Харта и Прая, упрочнение в основном связано с деформациями, возникающими под действием дислокационных петель вокруг дисперсных выделений. Снятие искажений происходит вместе со сдвигом, развитие которого обусловлено прочностью частиц или матрицы. Петли дислокаций вокруг выделившихся частиц создают напряжения, противоположные по знаку тем, которые могли бы вызвать скольжение и увеличить напряжения течения:

133

где k – константа, зависящая от геометрических величин; τc –

средняя прочность на сдвиг частиц выделения; f – средняя объемная концентрация дисперсных выделений.

6.5. Упрочнение армирующей фазой

Упрочнение матрицы армированием высокопрочными волокнами является одним из эффективных путей создания высокопрочных материалов. В таких материалах, в отличие от традиционных, основную нагрузку несут высокопрочные волокна, а матрица обеспечивает перераспределение напряжений между волокнами.

Чтобы получить максимальную прочность армированных волокнами металлов, необходимо повышать объемную процентную долю армирующей фазы. Однако увеличение объемной доли приводит к нарушению монолитности композиционного материала, если относительное удлинение матрицы незначительно. Введение больших объемных долей армирующей фазы препятствует получению композиций, так как появляются расслоения, трещины.

Верхний предел прочности композиции, армированной непрерывными волокнами,

и матрицы соответственно; f – объемная доля волокна. Если деформация волокна меньше деформации матрицы, то

где σm – напряжение в матрице в момент разрушения волокна.

134

Если объемное содержание армирующей фазы мало, происходит дробление непрерывных волокон вследствие высоких напряжений на них. В этом случае прочность композиции

где β = 12 для идеально пластичной матрицы.

На объемную долю волокна армированных композиций типа «сэндвич» влияют толщина матричной заготовки, диаметр волокна, расстояние между волокнами. Прочность армированного материала зависит и от угла разориентации волокон.

При получении или эксплуатации композиционного материала между матрицей и волокном может образоваться интерметаллидная зона. Это приводит к уменьшению прочности материала, так как ухудшаются передачи нагрузки от матрицы к волокну, образуются хрупкие трещины в волокне и на границе раздела между компонентами.

Если прочность на границе компонентов мала, компоненты на межфазной границе расслаиваются, что сопровождается возникновением вторичной трещины. Если связь на границе

135

раздела достаточна, то происходит разрушение (повреждение) волокна, или локальная пластическая деформация (в зависимости от характера волокна).

Оптимальными для получения армированных композиций являются режимы, обеспечивающие, с одной стороны, наличие прочной связи на границе волокно – матрица, с другой – отсутствие интерметаллидных прослоек между компонентами.

Те или иные рассмотренные выше способы повышения прочности и жаропрочности металлов применяются в зависимости от используемого материала и условий его эксплуатации. В ряде случаев необходимо комплексное упрочнение.

6.6. Разрушение твердых тел

Вопросы разрушения, долговечности изделий из различных материалов рассматриваются в механике разрушения – разделе механики твердого деформируемого тела, которая в последнее время стала самостоятельной дисциплиной. Достигнут определенный прогресс как в области теоретической механики разрушения, так и в прикладных вопросах.

Проблема разрушения материалов находится на стыке различных наук – математики, механики, физики, химии и других – и является чрезвычайно сложной. Тем не менее она привлекает внимание исследователей своей практической значимостью. Число публикаций, посвященных разрушению, весьма велико и в последние годы непрерывно растет. Однако до сих пор не удалось построить единую универсальную теорию разрушения материалов. Ю.Н. Работнов отмечает, что при существующем обилии конструкционных материалов, при различных условиях работы конструкций и видах разрушения попытка построить единственную теорию разрушения является нереальной.

Механическое разрушение твердых тел может быть хрупкое и пластичное (вязкое).

136

Хрупкое разрушение происходит по плоскостям, перпендикулярным к направлению действия напряжений, при минимальной пластической деформации и поглощении энергии.

Пластичное разрушение происходит по плоскостям, расположенным под углом 45° к оси растяжения, с обнаружением значительной пластичности.

Для большинства существующих теорий разрушения основой является модель Гриффитса. Рассматривая стеклообразные тела, Гриффитс в анализе хрупкого разрушения заложил энергетический подход, заключающийся в следующем: устойчивость трещины определяется соотношением между уменьшением упругой энергии и увеличением поверхностной энергии при росте трещины.

При одноосном растяжении схему Гриффитса можно представить таким образом: рассмотрим эллиптическую трещину длиной 2 , плоскость которой перпендикулярна растя-

гивающему напряжению.

Упругая энергия при растяжении образца (с учетом еди-

где 2σ1 – упругая энергия, приходящаяся на единицу объема

при одноосном растяжении.

Работа растяжения и разрыва в вершине трещины при ее росте компенсирует поверхностную энергию:

137

Критерий роста трещины определяется из условия dE / d 0:

Если > кр, то при удлинении трещины выделяется

больше упругой энергии, чем это требуется для компенсации образования новых поверхностей, и трещина будет распространяться в материале.

Таким образом, из модели Гриффитса следует, что для разрушения тела не требуется достижения теоретической прочности во всем его объеме.

Зависимость концентрации напряжений от геометрических параметров трещины – линии и радиуса кривизны у вершины r – рассмотрена Орованом (силовой критерий разрушения). Максимальное растягивающее напряжение у вершины трещины

и ее упругий рост возможен, если напряжение в вершине достигает теоретической прочности. Для наиболее острой трещины при r = a максимальное растягивающее напряжение равно

2 σ ( /а)1 2 , а величина теоретической прочности может быть оценена как (γE / a)1/ 2. Таким образом, растягивающее напряжение, при котором происходит разрушение,

что с точностью до постоянного множителя совпадает с выражением из модели Гриффитса.

138

Выражение не применимо к металлам, поскольку их разрушение сопровождается пластической деформацией, не учитываемой в теории Гриффитса. Если принять равным примерно диаметру зерна и подставить экспериментально наблюдаемое значение σ, то из выражения получим величину γ на

1–3 порядка (в зависимости от пластичности металла) выше истинной поверхностной энергии. Это естественно, поскольку в уравнении энергетического баланса не учтена работа пластической деформации. По Оровану, в уравнении следует учитывать эффективную поверхностную энергию:

где γп.д – работа пластической деформации на единицу площа-

ди излома.

В случае вязкого разрушения пренебрежимо малой является величина γ, в случае хрупкого разрушения – величина γп.д.

Введение такой поправки дает возможность распространять концепцию Гриффитса на случай вязкого разрушения металлов, но в условиях затрудненной пластической деформации.

Тот факт, что поверхностная энергия металлов и сплавов значительно меньше энергии пластической деформации, не снижает ее важной роли в процессе разрушения. Эта роль особенно велика на его начальных стадиях, поскольку при зарождении трещины лишь поверхностная энергия соизмерима с упругой энергией, высвобождающейся при релаксации напряжений. Поверхностная энергия в значительной степени контролирует величину энергии пластической деформации (последняя тем меньше, чем при меньшем напряжении происходит разрыв межатомных связей в вершине трещины) и, что представляется крайне важным, определяет «траекторию» трещины (путь ее распространения по границе или по зерну).

139

Хрупкое (межзеренное) разрушение металлов и сплавов может быть следствием сегрегации по границам зерен атомов примесей. Причиной образования зернограничных сегрегаций является уменьшение энергии в результате перехода примесей атомов из матрицы на границу.

6.7. Качественные методы оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению

Одним из первых качественных методов сравнительной оценки склонности материалов к хрупкому разрушению является метод серийных испытаний на ударную вязкость при различных температурах. Сущность этого метода заключается в определении зависимости ударной вязкости материала от температуры испытания.

При понижении температуры испытаний для некоторых металлов с ОЦКили ГПУ-решеткой, в частности сталей, хрома, молибдена, вольфрама и др., в определенном интервале температур наблюдается резкое снижение ударной вязкости, происходит переход от вязких волокнистых к хрупким кристаллическим изломам с низким значением пластичности и вязкости.

Чем выше температура вязко-хрупкого перехода, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Температура вязко-хрупкого перехода ТK используется в качестве ха-

рактеристики склонности сталей к хрупкому разрушению. Резкое снижение ударной вязкости при критической или

переходной температуре сравнительно отчетливо выявляется при испытаниях малоуглеродистых сталей в нормализованном и отожженном состояниях, содержащих свободный феррит. Для сталей, подвергнутых улучшению или закалке с низким отпуском, характерно плавное уменьшение ударной вязкости при понижении температуры испытания.

140