Структура металла и хрупкость стальных изделий

с шейкой, когда Ф = 100 %. Главный признак разрушения типа

в/т сводится к тому, что разрушение образца на две части происходит за счет пластической деформации, а этапы развития трещины сколом отсутствуют.

Хрупкое разрушение межкристаллического типа (х/г) можно разбить на два подтипа: хрупкое разрушение по границам зерен (х/г.з) и по границам субзерен (х/г.с). Одним из примеров такого типа разрушения является расслоение сильнодеформированного молибде­ на, когда трещина расслоя может распространяться как по границам зерен, так и по границам субзерен [4]. Это низкоэнергетический тип разрушения, в котором распространение трещины облегчается нали­ чием поля упругих напряжений на границах зерен и ячеек дефор­ мации.

Квазихрупкое межкристаллитное (зернограничное) разрушение (кх/г) обеспечивается выходом на границу линий скольжения, при этом на ней образуется ступенька, создающая дополнительные на­ пряжения на границе, в результате чего ступенька превращается в зародышевую трещину, которая развивается вдоль границы зерна. По существу — это скол в материале границы.

Вязкое межкристаллитное разрушение (в/г) заключается в раз­ витии трещины по границам зерна с образованием типичного ямоч­ ного рельефа, что возможно, например, при некоторых разрушениях в условиях ползучести, когда на границах зерен возникают поры, а потом происходит их слияние.

Авторы классификации [21] признают, что это лишь основные ти­ пы разрушения. В пределах каждого из шести типов могут быть свои особенности в зависимости от химического состава и структурного состояния конкретного материала, поэтому возможны дальнейшие уточнения микромеханизмов на основе углубленного понимания процессов зарождения и развития микротрещин. В частности, уже сейчас можно отметить, что типы разрушения (х/т) и (кх/т) могут взаимно переплетаться, в зависимости от масштаба рассматриваемо­ го явления: квазискол в масштабах зерна может в то же время быть идеальным сколом в некоторых субмикроскопических участках, со­ размерных со средней дистанцией между двумя ближайшими дисло­

кациями. Это расстояние порядка 10—102 нм (10“ 5—10“ 4 мм), и та­ кой сильнолокализованный скол можно было бы назвать микросколом, понимая при этом, что в общем механизме разрушения но типу квазихрупкого в локальных областях металла возможно прохожде­ ние трещины по механизму идеального скола, т. е. разрыва атомных связей без существенных признаков сопутствующей пластической релаксации напряжений. В дальнейшем понятие микросколэ будет широко использоваться как основной элемент модели зарождения хрупкого разрушения в микрообластях металла.

Не следует также забывать, что рассматривая микрофрактограмму излома, мы видим, в сущности, лишь следы, оставленные ма­ гистральной трещиной после ее прохождения по трассе разрушения, т. е. видим последствия разрушения, а не его причину. Способность трещины возбуждать пластическую деформацию в близлежащем

12

Рис. 1.2. Схема масштабной классификации дефектов в твердых телах:

а — элементарный дефект в кристаллической решетке (дислокация); б — зародышевая суб­ микротрещина (сверхдислокация); в — критическая субмикротрещина; г — микротрещина в зерне металла; д — макротрещина; е — трещина в конструкции.

окружении весьма сильно зависит от размера трещины, скорости ее распространения и свойств материала. Поэтому картина вязкого чашечного излома на 95 % площади разрушения не может исключить

того, что в начальной стадии разрушения процесс развивается по иному, хрупкому механизму, и микроскопический первоисточник разрушения располагается на оставшихся хрупкими 5 % площади

излома. Таким образом, классификация разрушения по фрактографическим признакам не всегда отражает сущность микроскопи­

этому полезно рассмотреть и другую, геометрическую классификацию процессов разрушения, в основе которой лежит масштаб рассматри­ ваемых событий. На рис. 1.2, а—е представлены по Хольцману [22]

характерные размеры областей, в которых развиваются явления, так или иначе причастные к процессу разрушения металла на раз­ личных стадиях его развития.

Хотя на всех уровнях исследования картины разрушения рас­ сматривается один и тот же объект — трещина, все же его свойства, характер вызываемых им последствий под нагрузкой зависит от мас­ штаба явления. Можно сказать, что трещина в субзеренной области

которых обусловлена различием их геометрических размеров относительно характерных элементов структуры металла. Так, дислокация в кристаллической решетке, являясь первичным одно­ мерным дефектом, прародителем всех трещин в металлах, вследствие

13

сильно вытянутой в одном измерении формы оказывается уникаль­ ным объектом, одинаково остро чувствительным как к нарушениям атомного масштаба в решетке, так и к особенностям внутризеренной структуры металла. Это значит, что на поведение дислокаций под действием напряжений, с одной стороны, влияет атомно-кристалли­ ческая структура металла, силы связи в решетке, наличие чужерод­ ных атомов (примесей или легирующих элементов) (рис. 1.2, а), с другой — поведение дислокации сильно зависит от наличия вклю­ чений второй фазы, других дислокаций, границ зерен и т. д. Как ви­ дим, размерный диапазон параметров, влияющих на поведение дис­ локаций, очень широк — от величины межатомного расстояния

(10~7 мм) до размера зерна в поликристалле (10—2 ~ 10—1 мм). С этим

связано многообразие и сложность факторов, влияющих на механи­ ческие и многие физические свойства металлических материалов, обусловленных дислокационной структурой металлов. Отсюда по­ нятно, почему открытие дислокаций и последующее бурное развитие теории дислокаций оказало решающее влияние на развитие научных представлений о природе деформирования металлов. Более того, от­ меченная уникальность дислокации как дефекта кристаллической решетки с широким диапазоном свойств обеспечила ей ключевую роль во всех без исключения процессах, сопровождающих пластическую деформацию металлов, от элементарного сдвига в кристаллической решетке, микро- и макротекучести, упрочнения, зарождения и роста микродефектов вплоть до полного разрушения изделия. В настоящее время все многообразие этих явлений в их тесном единстве и взаимо­ связи не могло бы быть понятным и количественная теория деформа­ ции и разрушения металлов не могла бы быть создана без раскрытия этой фундаментальной роли дислокаций в металлах.

Следующий по масштабу вид дефекта — субмикротрещина (рис. 1.2, б), на первых стадиях своего развития представляющая собой в сущности сверхдислокацию, т. е. большую дислокацию с мо­ дулем вектора Бюргерсэ nb, образованную слиянием п единичных

дислокаций. Геометрически — это клин, длина которого квадратично зависит от его ширины: с ж п2Ъ [18].

Характерные размеры субмикротрещин — 10 15-г-10—0 мм, но предельные значения их могут быть и больше в зависимости от длины линии скольжения, в которой возникло задержанное границей зерна скопление дислокаций, т. е. в зависимости от размера зерна. Показано, что наибольшие размеры субмикротрещины, которые иног­ да называют зародышевыми, достигают на пределе текучести метал­ ла, когда они составляют примерно 1/70 d, где d — размер зерна

[20]. Отличительной особенностью субмикротрещин является не их малый размер, а некоторое специфическое свойство микродефекта в решетке. Установлено, что на зародышевой стадии развития, до момента потери стабильности под действием внешних растягивающих напряжений, субмикротрещина находится в состоянии упругого рав­ новесия с полями внутренних напряжений, создаваемых скоплением дислокаций и клином трещины [20]. Снятие подпирающего напряже­ ния в заблокированной линии скольжения1 например1 при отжиге

14

приводит к захлопыванию субмикротрещины и ликвидации ее как дефекта. В этом главное ее отличие от других видов трещин, которые являются стабильными полостями в металле, не связанными усло­ виями упругого равновесия с полем охрупчивающих напряжений, и которые впредь отнесем к другому виду дефекта — микротрещинам (рис. 1.2, г). Таким образом, микротрещина в металле — это не про­

сто увеличенная в размерах субмикротрещина, а совершенно иное об­ разование, дефект с принципиально отличающимися свойствами. Действительно, изменять размер субмикротрещины в ту или иную сторону можно постепенно, плавно изменяя касательное напряжение т в плоскости скольжения, т. е. меняя условия ее упругого равнове­ сия. Нормальные напряжения о для субмикротрещины вплоть до

момента потери стабильности не существенны, точнее, важны лишь в той мере, в какой от них зависит касательное напряжение т. В про­ тивоположность ей микротрещина, лишенная прямой связи с дис­ локационными скоплениями и с напряжениями т, по своей природе является квазистабильным дефектом, устранить который можно только высокотемпературным, диффузионным отжигом [5, 23]. Ме­ ханическую активность, т. е. способность к росту, микротрещпна может получить лишь под действием достаточно больших нормаль­ ных напряжений. В этом отношении микротрещина как дефект по свойствам больше приближается к обычной макротрещине, хотя по размерам она на несколько порядков меньше и порою, например в мел­ козернистом металле, может оказаться меньше, чем упруго-равно­ весная субмикротрещина в крупнозернистом металле.

Субмикротрещина при определенных условиях под действием нормальных напряжений может потерять свое упруго-равновесное состояние и перейти в гриффитсовский лавинный рост, превратившись в растущую микротрещину (рис. 1.2, в). Однако в начальной ста­

дии своего распространения субмикротрещина осуществляет практи­ чески идеальный скол ■=—микроскол, разрывая атомные связи в кри­ сталлической решетке с затратами работы, равной значению идеаль­ ной поверхностной энергии кристалла у. Этой возможности целиком лишена микротрещина (г) размером, сопоставимым с размером зерна,

поскольку в момент ее роста в области концентрации напряжений у ее острия неизбежно окажется достаточно скользящих дислокаций, работа перемещения которых потребует дополнительных затрат энер­ гии уп. Обычно эти затраты на порядок выше идеального значения у и их сумму обозначают как эффективную поверхностную энергию

Уэфф’

С точки зрения энергетических затрат роста отличие субмикро­ трещины (рис. 1.2, б) от микротрещины (г) принципиально. И на­ оборот, отличие микротрещины от макротрещины (рис. 1.2, д), как

уже упоминалось, не принципиально, хотя вследствие большого различия их размеров определенные особенности в поведении мак­ ротрещины под нагрузкой все же наблюдаются. Прежде всего мак­ ротрещина является центральным объектом исследования механики,,

15

изучающей законы разрушения твердых тел. Как известно, подходы механики к этой проблеме специфичны, основаны, как правило,; на традиционном рассмотрении, материала как однородного изотроп­ ного континуума. При этом учитывается необходимый комплекс упруго-пластических свойств, но пренебрегается внутренней струк­ турой материала на всех ее уровнях — от металлокристаллического до атомного. Вследствие этого принципиально важные общие зако­ ны поведения макротрещин удается получить в виде, пригодном для использования в любых твердых телах, в этом несомненно преиму­ щество такого подхода. Но очевидно, что получить общий количе­ ственный критерий разрушения для всех материалов невозможно, поскольку глубинные процессы зарождения разрушения зависят от

упругих напряжений в материале и некоторая зона пластической деформации у кончика трещины [7, 24, 25]. Картина формирования под нагрузкой зоны упруго-пластических деформаций вблизи вер­ шины макротрещины (д) в условиях континуума, тщательно изучае­

мая механикой, не вполне идентична той, которая наблюдается в ок­ рестности микротрещины (г), поскольку здесь ощутимо влияние ани­

зотропии кристаллов, налагающей существенные ограничения на процессы пластической релаксации. Микротрещины представляют собой нижнюю границу поля действия методов механики, тогда как при этом верхняя граница отсутствует (рис. 1.2, е).

Итак, геометрическая классификация трещин как источников раз­ рушения металлов оказывается весьма показательной и полезной,; так как вполне определенно очерчивает поле деятельности трех ос­ новных наук, занимающихся проблемой разрушения — физики кристаллов (атомные аспекты дефектности решетки (рис. 1.2, а, б)), физики металлов (структурные и металлургические аспекты (б, б, г)) и механики (макродефекты в элементах конструкций (д, е)). В на­

стоящее время все три научных направления развиваются преимуще­ ственно независимо друг от друга, что объективно обусловлено нали­ чием у каждого из них объекта исследования: дислокаций (атомная трещина), существенно различных микротрещин и макротрещин. Отсюда не следует существования трех видов разрушения соответ­ ственно каждому виду дефекта, вопрос состоит в том, какой из ука­ занных на рис. 1.2, а—е видов дефектов может стать критическим

раньше других, т. е. вызвать лавинное самопроизвольное разруше­ ние изделия при постоянной нагрузке. Это значит определить крити­ ческое звено процесса и сформулировать для него условия нестабиль­ ности в известных для исследователя параметрах. Такова общая постановка задачи разрушения металлов, и каждая из трех наук пы­ тается ее решить по-своему. Конечно, в практике эксплуатации из­ делий существуют случаи, когда в материале присутствует готовая макротрещина, возникшая, например, в результате длительной ра­ боты изделия при знакопеременной нагрузке, так называемая уста­ лостная трещина. При определенных условиях нагружения эта тре­ щина может потерять стабильность и вызвать разрушение изделия.

16

В такой ситуации оказываются весьма полезными основные законо­ мерности механики разрушения, позволяющие описать процесс раз­ рушения изделия в терминах параметров силового нагружения, ин­ тенсивности напряжений К\ и коэффициента вязкости разрушения материала К\с [6]. Макромеханизм процессов при этом не имеет опре­

деляющего значения и может не рассматриваться. Так или иначе критическую стадию макроскопической трещины можно описать из­ вестными методами механики разрушения.

Сложпсо обстоит дело с микротрсщипами, возможность появле­ ния которых в металлах при определенных условиях не вызывает сомнений [26]. Поиски условий потери стабильности дефектов, соиз­ меримых по величине с характерным параметром структуры — зерном, привели к использованию видоизмененной концепции Гриф­ фитса, когда в энергетическом балансе растущей трещины стали учитывать не только работу по разрыву межатомных связей (идеаль­

разрушения принято считать, что критической стадией в росте мик­ ротрещины является преодоление такого сильного барьера на ее пути, как граница зерна [19, 22]. Действительно, у разрушенных вблизи температуры хрупко-вязкого перехода сталей наблюдается опреде­ ленное количество микротрещин длиной порядка размера зерна d

[26], не успевших получить дальнейшего распространения в процес­ се разрушения. На этом основании в большинстве работ по физике разрушения металлов критический размер трещины просто прирав­ нивается к средней величине зерна: скр « d [19, 26]. Тогда напряже­

ние разрушения ар должно удовлетворять линейной зависимости от размера зерна в координатах

Действительно, опытные данные (штриховая линия) по хрупкому или квазихрупкому разрушению,; систематизированные Ноттом [27] для большой группы различных железоуглеродистых сплавов, доста­ точно хорошо следуют соотношению (1.3) (рис. 1.3). На этом закан­ чивается количественный анализ критерия (1.2), называемого иног­ да критерием разрушения Орована [26], поскольку корректно рассчитать значение Уэфф невозможно. Таким образом, количе­ ственный анализ условий разрушения от микротрещин отсутствуем так как фактически сводится к вычислению уЭфф из (1.3) на основании

ния металлического сплава по данным его структурного состояния. Такое положение стимулировало попытки уточнения модели разру­ шения от микротрещин путем учета роли хрупких частиц второй фазы в сталях — цементита [22, 27—29], но это позволило лишь не­ значительно снизить рассчитываемое значение уЭфф, доведя его при­ мерно до 10 Дж • м—2, что на порядок выше 7 . Остается явное проти­ воречие между большим расчетным значением уЭфф, получаемым из опытов по хрупкому разрушению сталей, и наблюдаемой в действи­ тельности фрактурой хрупкого излома, где почти не содержащей следов сильной пластической деформации по трассе прошедшей трещины. Этот парадокс еще два десятилетия назад был замечен основополож­ ником современной физики разрушения металлов Коттреллом и впо­ следствии так был оценен им в интервью с организаторами IV Между­ народного конгресса по разрушению, проходившему в 1977 г. в Ка­ наде: «В целом наука о разрушении сейчас все больше становится прикладной наукой, поскольку основные принципы преимуществен­ но уже выявлены, так что теперь приходится копаться лишь в деталях и тонкостях механизма. С моей точки зрения имеется лишь одна непо­ нятная вещь, на которую, к моему удивлению, за все время так и не был получен ответ — почему в столь многих случаях совершенно хруп­ кого разрушения измеряемая работа разрушения получается во много раз больше, чем идеальное значение поверхностной энергии материала. Можно было бы ожидать, что с таким количеством лю­ дей, занятых над этой проблемой в течение столь длительного вре­ мени, мы могли бы уже получить какое-то прояснение по этому во­ просу. Я думаю2чтоэто один из немногих основных вопросов теории*

18

оставшихся неясными по сей день в фундаментальной части пробле­ мы разрушения» [30].

Таким образом, разработку физического критерия разрушения металлов от микротрещин нельзя считать завершенной, поскольку

Итак, ни макро-, ни микротрещины на сегодня еще не поддаются количественному расчету в рамках физической модели разрушения. Но в размерной классификации дефектов на рис. 1.2, б имеется еще

один характерный вид трещин — субмикротрещины. Проблемой перехода таких зародышевых трещин в разрушающие в 50-х годах активно занимался Стро [18], который из условия слияния двух головных дислокаций в скоплении получил критическое напряжение хрупкого разрушения металла в следующем виде:

Стро считал свою теорию пригодной лишь для очень хрупких раз­ рушений, поскольку в (1.4) входит идеальное значение у, а в самой модели предполагается, что зародышевая трещина сразу же в момент возникновения становится гриффитсовской, т. е. не проходит стадию медленного подрастания до размеров порядка размера зерна. Сле­ дует отметить, что критерию идеально хрупкого разрушения (1.4), по Стро, одинаково хорошо удовлетворяли данные по вязкому раз­ рушению металлов [31]. Создается парадоксальная ситуация: с од­ ной стороны, модель идеально хрупкого разрушения удовлетворяет опытным данным вязкого разрушения, где должна, казалось бы, реа­ лизоваться ситуация уэфф >■ у, а с другой — рассчитанное значение уЭфф намного превосходит действительную работу пластической де­

формации, реализующуюся судя по фрактограммам изломов в про­ цессе разрушения. Возникает вопрос о действительной роли понятия Уэфф в физических моделях разрушения. Реальная польза от этой

величины становится еще более сомнительной, если принять во вни­ мание неясность ее физической природы, отсутствие методов прямого расчета ее значений по данным структурного состояния металла. Известно, что уровень вязкости металла очень зависит от его структу­ ры, температуры и т. д. В то же время, судя по экспериментальным данным, приведенным на рис. 1.3, общий наклон линии на графике, а значит, и значение уЭфф в уравнении (1.3) остаются неизменными, хотя согласно опытным данным здесь представлены самые разнооб­ разные виды сталей, с различной субструктурой, размером зерна и температурой хрупко-вязкого перехода. Если бы критерий Орована (1.3) действительно выполнялся на опыте, то эксперименталь­

чтобы стать полезной основой для развития количественной теории разрушения металлов.

Выход из трудной ситуации можно найти, если внимательно отнестись к идее Стро [18] о зародышевом хрупком сколе как началь­ ной стадии разрушения, убрав из нее, однако, требование немедлен­ ного разрушения металла в момент слияния первых двух дислокаций в голове скопления в зародыш субмикротрещины. Это значит, что зародившаяся субмикротрещина, прежде чем стать критической, должна пройти некоторую стадию докритического подрастания, конт­ ролируемого эффективным напряжением сдвига в активной плоско­ сти скольжения [17, 32]. Так приходим к понятию микроскола как обязательной фазы начального этапа развития разрушения металлов на микроуровне^ Нужно связать этот микропроцесс с макроскопиче­ ским параметром — напряжением разрушения ар.

§ 1.2. Некоторые классические теории хрупкого разрушения твердых тел

Рассмотрим главную задачу разрушения твердых тел — переход в нестабильный рост готовой полости, находящейся под действием растягивающих напряжений а. В основе решения, впервые предло­ женного Гриффитсом [16], лежит термодинамический подход, свя­ зывающий прирост длины трещины с изменением потенциальной энергии нагруженной системы. Если в стержне, растягиваемом внеш­ ним напряжением а, имеется готовая сквозная трещина длиной 2с,

малой в сравнении с размерами стержня, то в области, примыкающей к трещине, образуется зона, свободная от упругих напряжений (рис. 1.4).

Рис. 1,4. Схема распределения силовых линий механического напряжения вблизи полости в твердом теле (трещины),

Рис. 1.5. Схема изменения энергетических параметров при увеличении раз­ мера трещины с в твердом теле при растягивающем напряжении о.

20