книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

приближается к размеру блока на периферии. В то же время подстановка в формулу эффективной поверхностной энергии дает значение а, очень близкое к наблюдаемому в центре очага поражения и равное ~400 мкм.

Изучение пластической деформации в очаге поражения имеет большое значение для выяснения источников зарождения тре­ щин. В кремнистом железе скольжение может протекать по трем системам (ПО) [111], (112) [111] и (113) [111].

Микроисследования показали преимущественное скольжение по системе (110) [111]; скольжение по другим системам при ударе по (001) выражено очень слабо.

Полосы скольжения, наблюдаемые на плоскости (100), обра­ зуют две системы, пересекающиеся под углом 90°. Однако из-за незначительного отклонения внешней грани от (001) они не­ равноправны в геометрическом отношении и скольжение идет преимущественно по одной из них.

Вместе с тем при такой кристаллографии скольжения имеются трещины, что свидетельствует о малой вероятности их зарождения по механизму Коттрелла. Поскольку появление трещин на границе зерен в этом случае всегда связано с лока­ лизацией скольжения, можно предположить зарождение трещин по модели, предложенной Вествудом.

Упрочняющее действие плазмы

Впоследнее время для обработки металлов используют оп­ тические квантовые генераторы (лазеры). Упрочнение, достигае­ мое в районе, прилегающем к кратеру, в некоторых случаях пре­ вышает получаемое при других видах термического и механиче­ ского воздействия.

Вработе изучалось импульсное воздействие плазмы на сталь 40 в отожженном состоянии с исходной структурой перлит и фер­ рит, сталь У8 в отожженном состоянии со структурой пластинча­ того перлита и сталь У10, закаленную на мартенсит. Полученные результаты близки достигаемым при воздействии луча лазера.

Металлографическим анализом установлено наличие вблизи кратера различающихся по травимости зон. Быстрый нагрев и отвод тепла из высоконагретой области способствует протеканию структурных превращений типа закалки и отпуска.

Центр удара, где достигаются наиболее высокие темпера­

туры, на шлифе стали 40 выявляется в виде белого кольца, быв­ шие перлитные зерна не обнаруживаются. Этот участок, по-ви­ димому обедненный углеродом, имеет микротвердость 600— 700 кГ/мм2; исходная микротвердость перлита 280—300 кГ/мм2, феррита 140—160 кГ/мм2. Вторая, промежуточная, зона грани­ чит с исходной феррито-перлитной. В ней происходит закалка

312

Г Л А В А XV

О ПРИРОДЕ ХЛАДНОЛОМКОСТИ

Его удел -*• поверхность твердых тел.

Он к ним прикован, связан с их судьбой,. . .

Гёте

Здесь разум на фундаменте сомнений Дерзнул создать мятежной мысли храм, И если гром не сжег ее творений, Так, значит, не впервые небесам Улыбкой отвечать на все угрозы нам.

Байрон

1. ОБЗОР НЕКОТОРЫХ ТЕОРИИ ХЛАДНОЛОМКОСТИ

Скачкообразный переход в стадию хрупкого разрушения впервые нашел свое объяснение в классической модели А. Ф. Иоффе. Согласно этой модели, такой переход возможен в том случае, если реальные напряжения достигают кривой хрупкой прочности раньше, чем кривой, определяющей предел текучести. В основу схемы положены спорные положения, в част­ ности, представление о существовании так называемой хрупкой прочности и положение о взаимном исключении собственно раз­ рушения и пластической деформации. Если в микромасштабе это в принципе допустимо, то при макроскопическом исследова­ нии моно- и поликристаллов подобная ситуация полностью исключена и пластичность регистрируется при любых режимах разрушения.

Представления о физической природе хладноломкости обсу­ ждались неоднократно и обобщены в нескольких обзорах [621—627]. Рассмотрим некоторые из точек зрения.

Согласно основной из них, хладноломкость — свойство, при­ сущее кристаллической решетке. Исходными служат известные данные о склонности к хладноломкости металлов с о. ц. к. и гек­ сагональной решетками и отсутствии низкотемпературной хруп­ кости у г. ц. к. металлов. По мнению В. И. Трефилова [6], при­ рода металла должна проявляться и в характере межатомных связей. Отмечается существование гибридных направленных связей у переходных металлов, в частности хрома, молибдена и вольфрама. Предполагается, таким образом, возможная ответ­ ственность гемеополярных связей за хладноломкость названных металлов.

314

А. А. Пресняков [629] предложил гипотезу, согласно которой охрупчивание при низких температурах обусловлено возникно­ вением в металле дополнительных сил связи. Предполагается, что у хладноломких металлов изменяется электронная конфигу­ рация атомов, в результате чего появляется два сорта изотопов. По мнению А. А. Преснякова, это обстоятельство ведет к воз­ никновению химических сил связи и, как следствие, к хладно­ ломкости, так как кристаллическая решетка становится менее плотноупакованной и симметричной.

Н. В. Агеев, В. Н. Быков и В. А. Трапезников [630] связывают хрупкость со спиновой упорядоченностью кристаллической ре­ шетки. Особенно отчетливо этот процесс проявляется у хрома, атомы которого обладают относительно большим нескомпенсированным спиновым моментом. С повышением температуры спи­ новая упорядоченность нарушается, что и должно вызывать переход хрома из хрупкого состояния в вязкое.

Весьма распространены представления о фундаментальном влиянии на скачкообразное понижение вязкости параметров, определяющих собственно пластичность. К ним прежде всего относится повышение предела текучести о. ц. к. металлов с пони­ жением температуры, не регистрирующееся у г. ц. к. металлов. При этом имеет значение большее число систем скольжения у металлов с г. ц. к. решеткой, а также влияние температуры на работу этих систем.

Серьезные дискуссии вызывал и вызывает вопрос о связи между хладноломкостью и двойникованием [631]. Несмотря на неограниченно большое число частных случаев, когда разруше­ ние явно вызывается двойниками, в целом корреляция такого рода не может считаться установленной. Действительно, в лите­ ратуре приведено не меньшее число наблюдений, свидетельству­ ющих против жесткой связи такого рода.

Особенно серьезны аргументы, связывающие хладноломкость с влиянием примесей. Существует достаточно обширный мате­ риал, свидетельствующий о понижении температуры хладнолом­ кости молибдена, вольфрама и некоторых других металлов, однако физика этого процесса далеко не ясна. Преобладает точка зрения, согласно которой примеси, образуя коттрелловские облака, с понижением температуры блокируют дислока­ ционные источники, создавая условия для последующего хруп­ кого разрушения. Эти взгляды в известной степени подтвер­

У г. ц. к. металлов задержка текучести отсутствует.

Интересна гипотеза, проводящая параллель между хладно­ ломкостью и полиморфизмом. Хорошо известно, что в подавля­ ющем большинстве случаев эти физические явления цаблюдаются у одних и тех же металлов.

315

Перечисленные соображения не исчерпывают существующих точек зрения. Достаточно указать на возможную корреляцию между хладноломкостью и разрушением по границам зерен, связь с анизотропией и некоторые другие.

2.К ОДНОЙ ГИПОТЕЗЕ О ПРИРОДЕ ХРУПКОГО

ИВЯЗКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Если расположить металлы в порядке возрастания постоян­ ной их кристаллической решетки (рис. 128), то может быть от­ мечена следующая тенденция в изменении их характеристической температуры (рис. 129). При движении слева направо от железа к танталу у всех металлов со структурой о. ц. к. и г. ц. к. харак­ теристическая температура уменьшается, т. е. ослабляются меж­ атомные связи. Однако далее, при переходе к литию 0 скачко­ образно возрастает. Тенденция к спаду сил связи повторяется затем у лития, никеля и других металлов (правая часть гра­ фика) ‘. Скачок при переходе от тантала к литию наблюдается также в случае энергии сцепления: обнаруживается более чем четырехкратное ее уменьшение. Особенность регистрируется и на кривой (рис. 130) наименьших межатомных расстояний (ис­ пользованы данные [640]).

У металлов с гексагональной плотной упаковкой при том же параметре решетки (3,29 А), отвечающем интервалу цирконий— талий, отмечаются относительно слабые изменения. Характери­ стическая температура на участке магний — цирконий — таллий резко меняется с выходом на существенно 'иной уровень. Сле­ дует, однако, отметить наблюдавшийся в этом последнем случае значительный разброс точек, препятствующий здесь строгим заключениям.

Можно думать, что в построенном по параметру решетки ряду металлов при переходе тантал—литий (о. ц. к. и г. ц. к.) и цирконий—таллий (г. п. у.) меняется, по крайней мере, количе­ ственный характер межатомных связей.

Сопоставим рис. 128 с известными данными о хрупкости, в частности, хладноломкости металлов. Явление это достаточно сложно и, рассматривая его, следует помнить, в частности, об определяющей роли чистоты металла. Поэтому будем считать, что металл хладноломок, если в каких-либо ситуациях он таким является.

Влевой части графика расположены металлы, в склонности

кхладноломкости которых не может быть сомнения: цинк, хром, железо, кадмий, в правой части — металлы, сохраняющие вяз­ кость при любых температурах: медь, алюминий, свинец, ни­

кель, аустенитная сталь, серебро и пр. Можно наметить и гра­ ницу, отделяющую первые от вторых. Поворотной точкой в ряду

1 Из этой закономерности выпадают алюминий и кальций.

316

Рис. 128. Параметры кристаллической решетки для раз­ личных элементов со структурой о. ц. к.( г. ц. к. и г. п. у.

Рис. 129. Характеристическая температура для различных элементов со структурой о. ц. к. и г. ц. к. [640]

317

о. ц. к. и г. ц. к. металлов может служить тантал с параметром 3,2959 А. Как известно [648], он сохраняет вязкость вплоть до температур жидкого гелия. Из металлов с г. п.у. решеткой ана­ логом может служить таллий. Если параметр кристаллической

нен к хрупкости, если меньше — склонен. Учитывая относитель­

ясно, что его следует заменить некоторым коридором, в котором окажутся металлы, способные и проявлять хладнолом­ кость, и не обнаруживать ее.

Общеизвестно, что образование поверхности ведет к суще­ ственному изменению сил, действующих на внешний слой ато­ мов. Феноменологически это квалифицируется как возникнове­ ние поверхностного натяжения. Микроскопический аспект вопроса заключается в появлении дополнительных межатомных и внеатомных усилий *. Они связаны с распределением по всей1

1 Здесь и ниже речь идет о самых ранних стадиях разрушения, когда при вскрытии свободной поверхности происходит формирование тонкого при­

318

поверхности кристалла атомарных сил, ортогональных и каса­ тельных к поверхности. Рассмотрим нормальную составляю­ щую.

Возможны два варианта ориентации этих сил: от поверхно­ сти наружу или внутрь тела. При первом варианте тело растя­ нуто, при втором сжато. Расчеты, позволяющие количественно определить знак поверхностных сил для любого конденсиро­ ванного тела, нам не известны, однако, ясно, что этот знак определяется соотношением межатомных сил притяжения и от­ талкивания. Очевидно при этом, что некоторым относительным критерием может служить параметр кристаллической решетки.

На этом основании предполагаем следующее. У всех метал­ лов, которые в о. ц. к. и г. ц. к. ряду расположены левее тантала и лития, а в г.п.у. ряду — левее таллия, молекулярные силы на­ правлены внутрь тела и сжимают его поверхность. У металлов, расположенных справа, они ориентированы наружу и растяги­ вают поверхностные слои. В рамках этой гипотезы следует думать, что если в чисто энергетическом плане различные эле­ менты периодической системы обладают поверхностной энер­ гией одного и того же знака, то в силовом — дело обстоит

в частности, вследствие существования тангенциальной компо­ ненты поверхностных сил.

То обстоятельство, что в поверхностном слое твердого тела параметр кристаллической решетки отличен от параметра мат­

ется; авторы [644, 645]3 обнаружили уменьшение параметра серебра, алюминия, свинца, висмута в тонких пленках. В рабо­ тах [646, 647]4 яе наблюдалось отличия параметра поверхност­ ных слоев от матрицы—для никеля, молибдена, PbS, PbSe,

PbTe.

В предположении, что эксперимент в будущем подтвердит выдвинутую гипотезу, рассмотрим ситуацию на микротрещине. Пусть она имеет форму острой щели. Каждую из полостей тре­ щины считаем в целях упрощения плоским участком, на всем

3Косвенные результаты.

4Прямые электронографические исследования.

319

межатомного взаимодействия (поверхностное натяжение)- На­ пряжение в вершине трещины будем ориентировочно оценивать как удвоенные напряжения а на краю плоского отрезка с рас­ пределенными нормальными поверхностными силами. Поскольку в данном случае интенсивность нагрузки эквивалентна меж­ атомному усилию, приложенному к единице поверхности

скомпенсированы, в третьем — ориентированы из тела в полость трещины. Из изложенного выше следует, что напряжения, раз­ виваемые поверхностными силами на краю трещины, близки по величине к теоретической прочности. Это означает, что воз­ можно кардинально различное поведение трещины.

Рис. 131. Нормальная компонента сил поверхностного натяжения на тре­ щине:

а— силы поверхностного натяжения разрывают трещину; 6— силы поверх­ ностного натяжения отсутствуют или скомпенсированы; в — силы поверх­ ностного натяжения стремятся сомкнуть трещину

Если силы направлены в глубь кристалла, то поверхностные молекулярные усилия стремятся разрушить тело, во втором случае такие усилия отсутствуют и не влияют на прочность устья, в третьем они пытаются захлопнуть трещину. Таким об­ разом, если следовать этой модели, влияние поверхностной энергии, а точнее, ее «нормальной» составляющей сложно и не однообразно. Она может и способствовать, и препятствовать

разрушению.

Как уже указывалось, существует несколько точек зрения относительно природы хладноломкости, причем одна из них

натяжения на полостях вскрывшейся трещины. Если параметр решетки мал, то независимо от типа кристалла поверхностные силы способствуют разрушению; если велик — металл не скло­

320

нен к хрупкому разрушению, так как поверхностное натяжение стремится сомкнуть берега микротрещины. В рамках этой схемы вязкими оказываются калий, литий, натрий, рений, цезий (о. ц. к.), таллий, эрбий и др. (г. п. у.).

Совпадение экспериментальных данных по хрупкости с рас­ пределением элементов по постоянным позволяет надеяться на то, что параметр кристаллической решетки окажется индика­ тором склонности металла к проявлению в нем хрупкости. Про­ стейшее практическое заключение, которое прямо следует из модели, — необходимость увеличения параметра кристалличе­ ской решетки хрупких металлов при легировании для подавле­ ния хладноломкости. Действительно, никель и хром при одно­ временном введении в сталь повышают параметр ее решетки и смещают интервал охрупчивания в отрицательную область.

Все металлы, расположенные в правой части рис. 128, вязки. Согласно модели, поверхностное натяжение стремится сомкнуть поверхности трещин. Нам представляется это в следующих гипо­ тетических очертаниях. На стадии пластической деформации в металле зарождается трещина. В тот момент, когда она вскры­ вается, упругие деформации в матрице имеют порядок десятых долей процента. Однако при обнажении поверхности, параметр в ней скачком возрастает на 3—12%. Поскольку этот процесс протекает с большими скоростями, близкими к звуковым, а вскры­ тие трещины с весьма малыми, оба берега приобретают воз­ можность сомкнуться и восстановить разрушенную вначале связь. Речь идет, таким образом, о процессе схватывания. Это означает, что в случае таких металлов трещину нужно посто­ янно воссоздавать. Механизмом, препятствующим перманент­ ному схватыванию, вероятно, может быть пластическая дефор­ мация. В этих условиях никакого неуправляемого распростра­ нения трещины быть не может.

В металлах этого класса закритическое состояние не дости­ гается вообще вследствие постоянного схватывания вскрываю­ щихся полостей трещины. Поэтому можно рассматривать лишь вязкое их подрастание в результате непрерывных дислокацион­

к межатомным силам связи и способны привести к прямому раскрытию трещины, образованной по какому-либо дислокаци­ онному механизму. Поэтому разрушение, начавшись, может идти само под действием только сил поверхностного натя­

жения.

Совершенно понятно, что в такой постановке, в рамках чисто упругой задачи, понятие критического размера трещины теряет смысл. Вопрос не в том, почему металлы первого класса (т. е. располагающиеся левее танталла и таллия) оказываются

321