книги из ГПНТБ / Папиров И.И. Пластическая деформация бериллия

Эти и многие другие экспериментальные результаты нашли объяснение в дислокационной теории разрушения на основе анализа возможных механизмов зарождения трещин в местах

механики процесса их роста. Из-за существенного различия под­ ходов, методик и идей, используемых в этих двух группах ра­ бот, в понятие «хрупкость» часто вкладывают разный смысл. Во многих работах в качестве критерия', разделяющего хрупкие и вязкие материалы (либо состояния одного материала), приме­ няют величину деформации до разрушения, т.е. характеристику их пластичности. На самом деле понятия «пластичность» и «вяз­ кость» не адекватны. Материал может обладать заметной пла­ стической деформацией, но разрушаться хрупко. Поэтому в дальнейшем термины «хрупкость» н «хладноломкость» мы бу­ дем использовать лишь в связи с представлениями о низком сопротивлении материала распространению трещин, т. е. в связи

смалой вязкостью разрушения.

Вэтой главе рассмотрены главным образом физические ас­ пекты разрушения, основанные на дислокационных представле­ ниях. Проблемы роста трещин в бериллии, имеющие громадное значение, для понимания природы его хладноломкости (низкой вязкости разрушения), почти не изучены. С общим состоянием этих вопросов, а также с механикой пластической деформации и разрушения можно познакомиться в работах [13—19].

3.1. О с н о в н ы е экспериментальные наблюдения

Разрушение кристаллов бериллия происходит, как правило, по трем плоскостям: базиса (0001), призмы второго рода {1120} и двойникования {1012}. О сколе по плоскостям {1122}, {1123}, {1124} сообщалось в работах [20, 21]. Наиболее подробно изу­ чена спайность бериллия по плоскости базиса — плоскости наи­ более легкого разрушения, которую мы здесь в основном и рас­ смотрим. Другие виды разрушения исследованы недостаточно.

3.1.1. Характеристика разрушения бериллия по плоскости базиса. Спайность бериллия по плоскости базиса проявляется в широком интервале температур и не устраняется рафиниро­ ванием. Удаление примесей, так же как и повышение темпера­ туры испытаний, способствует увеличению предшествующей разрушению деформации, однако разрушение все-таки носит четко выраженный кристаллографический характер. Лишь при высоких температурах (~600 — 800°С у кристаллов технической чистоты и ~ 4 2 5 ° С у высокочистого бериллия) намечается тен-

деиция к исчезновению базисного скола и к переходу от хруп­ кого к вязкому разрушению [22].

Способность кристаллов бериллия разрушаться по базисной плоскости, особенно при низких температурах, используется на практике для получения тонких плоскопараллельных пластин металла.

Прочность на отрыв по базисной плоскости у бериллия очень низкая. По Туэру и Кауфманиу [23], при растяжении кристал­ лов технической чистоты, ориентированных для базисного сколь­

этих напряжений, рассчитанные из экспериментальных резуль­ татов Р. И. Гарбера и др. [24] (см. табл. 1.12). Кроме того, в

считают, что критерием разрушения бериллия является постоян­ ство произведения ОрТ р . Из табл. 3.1 следует,- что на самом деле величина 0 р Т р изменяется в зависимости от угла хо примерно в два раза. С увеличением температуры разрушающее напряже­ ние Ор быстро возрастает от 3 до 13 кГ/мм2 в области 273— 973° К [23].

Разрушение по плоскости базиса, как и другие виды разру­ шения, зависит от характера напряженного состояния. Напри­ мер, при сжатии кристаллов нормальные напряжения стремятся захлопнуть микротрещины, и деформация до разрушения воз­ растает,

ной Р. И. Гарбером и др. [24] путем приближенной оценки. Энер­ гия распространения трещины в кристаллах дистиллированного бериллия высокой чистоты (c,j —0,0125%) при 77° К возрастает в полтора раза (до 3260—3850 эрг/см2); в отдельных образцах сплава Be—1,49 вес.% Си эта энергия составляет 2840 эрг/см2.

Энергия зарождения трещины в двух кристаллах Be SR-Пе- шине при 77° К равна 1660 и 2510 эрг/см2, т.е. среднее значение (2085 эрг/см2) сравнимо с величиной энергии распространения трещины. Экспериментальные значения энергий зарождения и распространения трещин хорошо согласуются с рассчитанными теоретически истинными значениями поверхностной энергии (см. п. 3.2, табл. 3.2).

Увеличение энергии распространения трещины с ростом тем­ пературы, очевидно, связано с пластической релаксацией у вер­ шины трещины. На это указывает более широкая переходная область и наличие следов деформации. Точно так же возраста­ ние энергии распространения трещины в более чистом материа­ ле, по-видимому, связано не с изменением истинной поверхно­ стной энергии! а с увеличением вклада пластической деформа­ ции за счет уменьшения критических напряжений сдвига. От­ сутствие переходной зоны в сплаве с медью объясняется скорее всего слабой пластической релаксацией, что, в свою очередь, связано с десятикратным увеличением критических напряжений

иКауфманн [23] предложили две качественные модели зарож­ дения трещин вдоль плоскости базиса в результате образования

иразвития сбросов. Первый и основной механизм относится к

деформации кристаллов, ось растяжения которых не совпадает с осью с или а. Эти кристаллы деформируются за счет базис­ ного скольжения, затем образуются сбросы, которые и ведут к разрушению. Разрушение, по мнению Туэра и Кауфманна, свя­ зано исключительно с геометрической несовместимостью по­ лосы сброса и матрицы в условиях, когда граница полосы не может вращаться, а другие виды ориентационной перестройки не имеют места [23]. Количественно эту модель проанализиро­ вал Стро [3] (см. п. 3.5).

Вторая модель относится к разрушению при растяжении кристаллов вдоль оси с. В этом случае единственным видом деформации является двойникование в системе {1012}. Трещи­ ны образуются в областях матрицы, заключенных между двой­ никами противоположных знаков. Разрушение кристаллов бе­ риллия по плоскости (0001) за счет двойникования изучено не­ достаточно, и указанная модель не является единственной. Трещины могут также возникать при торможении двойника у препятствия, при пересечении двойников н т.д. [13].

Отметим, что изгиб плоскостей базиса при двойниковании носит специфический характер: это не сбросы в обычном пони­ мании, когда изгибу предшествует скольжение, а аккомодаци­ онный эффект, связанный с переориентацией матрицы вблизи двойника. Разрушение в этом случае имеет особенность: трещи­ ны по плоскостям базиса доходят до границ двойников и затем распространяются вдоль поверхности раздела двойника и мат­ рицы, образуя единый фронт разрушения.

3.1.2. Характеристика разрушения бериллия по плоскостям призмы {1120}. Как и призматическое скольжение, разрушение

четко выраженным кристаллографическим характером и требует

Изменение склонности бериллия к разрушению по плоско­ стям {1120} в зависимости от температуры испытаний, ориен­ тации и чистоты кристаллов изучено недостаточно. Вероятно, этот вид спайности реализуется лишь в некоторой области тем­ ператур и исчезает по мере ее роста. Температура устранения хрупкого разрушения по плоскостям {1120} зависит от чистоты металла. Очистка кристаллов приводит к исчезновению этого вида разрушения уже при комнатной температуре [22]. У кри­ сталлов технической чистоты напряжение разрушения по пло­ скостям {1120} возрастает от 15 до 23 кГ/мм2 в области темпе­ ратур от 77 до 773° К. При 1073° К спайность не проявляется [23].

глубокий физический смысл, так как в данном случае гтр отно­

По данным Р. Й. Гарбера с сотр. [24], поверхностная энергия ^'(ii2o)» оцененная по результатам испытаний иа растяжение, при­ ближенно равна 4,2-104 эрг/см2 при 298° К, т.е. почти на поря­ док выше Y( 0 ooir ^ 3 " з а вклада пластической деформации вели­ чину 7(П -?о)>по-видимому, следует рассматривать как эффектив­ ную поверхностную энергию.

3.1.3. Характеристика разрушения по плоскостям двойникования {1012}. Разрушение бериллия вдоль поверхности раздела между двойниками и матрицей обычно сосуществует с другими видами разрушения, особенно со спайностью по плоскости ба­ зиса.

По Туэру и Кауфманиу [23], этому виду излома всегда пред­ шествует скол по плоскостям (0001) или {1120}. В отличие от цинка [34], излом обычно происходит по границе двойника или по плоскости базиса матрицы, но не по телу двойника [23]. Тре­ щины по плоскостям базиса и двойиикования часто начинаются у вершины двойника. По-видимому, как и у цинка, трещина, медленно распространяющаяся вдоль плоскости базиса, соз­ дает у своей вершины концентраторы напряжения, способные

при комнатной температуре разрушение (главным образом по

3.1.4. Характеристика разушения при сжатии кристаллов бе­ риллия вдоль оси с. Разрушение кристаллов бериллия при сжа­ тии вдоль оси с имеет ряд особенностей, отличающих его от дру­ гих известных видов разрушения.

Характер разрушения образцов технической чистоты ме­ няется в области температур около 460° К [29]. При комнатной температуре разрушение происходит путем раскалывания моно­ кристаллов на мелкие частицы. Их размер увеличивается с ро­

кой [20]. По мнению Р. И. Гарбера с сотр. [20], это объясняется тем, что низкая подвижность дислокаций при 4,2° К препятствует росту трещин; их зародыши практически не развиваются, и из-

лом имеет произвольную форму. Следует учитывать, что npil низкотемпературных испытаниях высокопрочного материала в испытательной машине накапливается большая потенциальная энергия, которая в момент разрушения освобождается в виде взрыва, способствуя разрушению образцов. При температурах вблизи комнатной частицы огранены плоскостями (0001) и {1120}.

Выше 760° К разрушение кристаллов технической чистоты происходит в результате среза по поверхности, наклоненной к базисной плоскости под некоторым углом. Лондон и Дампано [29] считают, что разрушение не связано с определенной кри­ сталлографической плоскостью, тогда как, по другим данным, плоскость скола может быть идентифицирована как {1124} [20—22]. У поверхности разрушения наблюдаются следы пира­ мидального скольжения. Это, а также искажение рефлексов па лауэграммах, снятых с поверхности среза, означает, что раз­ рушению предшествует небольшая пластическая деформация. Поскольку разрушение вдоль следов пирамидального скольже­ ния отсутствует, возможно, что поверхность среза является ре­ зультирующей поверхностью разрушения по нескольким пло­ скостям.

У кристаллов высокой чистоты характер разрушения при комнатной температуре такой же, как и у грязных кристаллов при 470° К. Прочность кристаллов при комнатной и повышенных температурах слабо зависит от чистоты материала, но увеличи­ вается при легировании бериллия медью и никелем.

3.1.5. Разрушение поликристаллического бериллия. По срав­ нению с разрушением монокристаллов разрушение полнкрнсталлического металла имеет ряд особенностей. Поликрнсталлический бериллий при нормальной температуре обладает смешан­ ным изломом: по зерну и по границам зерен. С ростом темпе­ ратуры вклад межкристаллптного разрушения увеличивается, и

встречает такие же препятствия, как и распространение сдвига,

транскристаллитном разрушении необходимо, чтобы при пере­ ходе разрушения от зерна к зерну каждый раз образовывался зародыш новой трещины. Вероятно, этот процесс не всегда вы­ годен, потому что часто трещина, распространяющаяся по зер­ ну, продолжается по его границе. Поскольку с увеличением температуры этот процесс происходит все чаще и чаще, состоя­ ние границ зерен оказывается существенным для понимания

природы охрупчиванйя бериллия. На это, в частности, указы­ вают полученные нами данные о характере разрушения поликристаллпческого бериллия при испытаниях на удар, а именно увеличение доли межзеренного разрушения и уменьшение удар­ ной вязкости в области температур выше 670—770° К.

Для количественной оценки роли межзеренного разрушения иногда пользуются результатами теории Гриффитса, учитываю­ щей дополнительную энергию вновь образующейся при разру­ шении поверхности. Величина этой энергии может влиять на траекторию движущейся трещины. Из уравнения (3.1) следует, что чем ниже величина поверхностной энергии, тем меньше раз­ рушающее напряжение. При межзерепном разрушении вели­ чина уо = 2уп—ут. где ун — энергия единицы площади повой по­ верхности; уг — энергия единицы поверхности границы зерна. Напряжение разрушения по границам зерен может оказаться более низким, чем по самому зерну, так как границы зерен обычно обладают повышенной энергией в исходном состоянии. Наличие на границах зерен определенных примесей может при­

но, является результатом катастрофического уменьшения по­ верхностной энергии границ. К сожалению, экспериментальные данные о влиянии примесей на поверхностную энергию бериллия в твердом состоянии отсутствуют, и поэтому это утверждение является гипотетическим.

Исследования по определению энергии границ зерен важны для понимания природы хрупкости поликрнсталлического бе­ риллия. Специальным легированием и термообработкой можно устранить отрицательное влияние некоторых примесей и повы­ сить величину поверхностной энергии границ зерен. В частности,

3.2. Критерии определения плоскостей скола

Для предсказания наблюдаемых плоскостей скола кристал­ лов предложено несколько критериев, часть которых перечисле­ на ниже [27]: плоскостями скола являются кристаллические грани с минимальной поверхностной энергией; плоскости скола ограничивают элементарную ячейку кристалла; плоскости ско­ л а — это наиболее плотноупакованные плоскости кристалла; плоскостями скола являются плоскости с минимальным количе­ ством химических связей на единицу площади и т.д. Все ука­ занные критерии имеют многочисленные исключения.