книги / Разрушение твердых тел

щая на лидирующую (нулевую) дислокацию от первой дислока­

Здесь G — модуль сдвига:

v — коэффициент Пуассона;

h — расстояние между дислокациями.

Полная возвращающая сила, создаваемая дислокациями, бу­ дет равна:

анизотропии поверхностной энергии

Так как поверхности кристалла образуются дискретными слоями атомов (молекул), энергия поверхности быстро возра­ стает с отклонением ее ориентации от ориентации с малыми индексами [3]. Таким образом, вблизи ориентации с низкой энергией изменение величины энергии следует кривой с резким подъемом (рис. 2). Следовательно, только моменты большой величины стремятся изменить ориентировку, смещая ее к на­ правлению, соответствующему низкой энергии. Кроме того, вели­ чины энергии различных плоскостей с малыми индексами могут заметно различаться между собой, но само по себе это не ведет к возникновению пиков энергии.

Предположим (это может быть справедливо для случая ку­ бических кристаллов), что у0 является удельной поверхностной энергией плоскости скола (плоскости с минимальной энергией) и что другая плоскость, имеющая такую же или более высокую энергию уь лежит перпендикулярно первой, так что обе плос­ кости имеют ту же ось, что и рассматриваемая трещина. Тогда,

338

по мере изменения ориентации трещины от 60 до 0i, ее удельная поверхностная энергия будет изменяться согласно:

а момент, стремящийся повернуть (возвратить) трещину к ориен­ тации, соответствующей минимальной энергии, будет равен:

dY/d0 = YiCOS0— Yosin 6 ~ Y i (Для малых 0).

Тогда полная величина возвращающего момента:

Равновесие между возвращающим моментом и жесткостью трещины

Приравнивая выражение (6) для момента и (4) для жесткости трещины, можно найти величину критического угла 0*:

sin 4 0 *^ lO Yi/G6 (0* « 1).

При углах разориентации, меньших критического, имеется тенденция к по­ вороту трещины, ориентированной отлично от плоскости с наименьшей энергией, до тех пор, пока она не будет иметь ориентацию, параллельную пло­

скости с наименьшей энергией. При больших углах разориента­ ции движущаяся трещина будет продолжать развиваться в своей исходной плоскости.

ренной тенденцией железа к сколу, хотя и не имеется приемле­ мых данных для количественного сопоставления.

угла 0* и возрастает с увеличением критического угла. Этот угол в свою очередь имеет тенденцию возврата с ростом анизо­ тропии кристалла, и потому вещества типа цинка обладают зна­ чительной склонностью к сколу.

22*

СКОЛ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ С РЕШЕТКОЙ ОБЪЕМНОЦЕНТРИРОВАННОГО КУБА

ПО ПЛОСКОСТИ КУБА

Хорошо известно, что у железа предпочтительной плоскостью скола является {100}. У других (менее анизотропных) переход­ ных металлов присутствие примесей часто приводит к сколу по плоскости {ПО}; это характерно, например, для ванадия [4] и для тантала [5]. Однако тантал высокой чистоты разрушается сколом по плоскости {100} [6], так же как и высокой чистоты [7]

молибден 1.

Можно сделать вывод, что для переходных металлов с объ-

тиворечит экспериментальным данным. Аналогично, не оправды­ ваются любые расчеты, основанные на макроскопических физи­ ческих свойствах.

Для решения указанной дилеммы необходимо: рассмотреть те1факторы атомного строения, которые влияют на поверхност­ ную энергию. Другими словами, оказывается невозможным пре­ небрегать изменениями или «релаксацией» поверхностных сил, когда образуются новые поверхности. Эти изменения могут сни­ зить поверхностную энергию до значений намного более низких, чем рассчитанные на основании энергии сцепления внутри кри­ сталла.

Относительно этого эффекта имеются две точки зрения. Одна

ставляется пока возможным, так как эта теория не может дать ответа на ряд других вопросов. Поэтому предлагаемое ниже об­ суждение будет целиком основано на идеях химических связей.

1 J a f f ее 'R. <L. а. о. Plansee Proceedings. Third 'Seminar 1958, p. 380.

Не существует количественных способов определения симмет­ рии и эффектов резонанса и потому можно привести лишь аргу­ менты общего характера. Однако тонкие эксперименты по изу­ чению дифракции электронов с низкой энергией могут дать подтверждение этих эффектов.

Плотность разорванных связей

В структурах с объемноцентрированной кубической решет­ кой каждый атом имеет 8 ближайших соседей. Если период ре­ шетки равен а0, то эти 8 соседей расположены от данного ато­ ма на одинаковых расстояниях 0,866 а0. Пусть энергия разрыва связи между ближайшими соседями равна А. Тогда плотность разорванных связей DBB для двух рассматриваемых плоскостей будет:

DBB (100) = 4А ( ао 2); DBB (110) = 2 ]/2 ' А ( ао 2).

Отсюда следует, что энергия плоскостей {110} будет меньшей; следовательно, в соответствии с предложенной моделью бли­ жайших соседей, именно эти плоскости, как можно ожидать, и должны быть плоскостями скола.

Далее рассмотрим других ближайших соседей. Шесть из них расположены на расстояниях, приблизительно только на 13% больших, чем первые ближайшие соседи, т. е. на расстоянии а0 от данного атома. Пусть В равно энергии связей вторых бли­ жайших соседей. Тогда координационное число для данного атома будет равно 14, что согласуется с высокой энергией сцеп­ ления переходных металлов, имеющих решетку объемноцентрированного куба, и плотность разорванных связей будет:

DBB (100) = (4А + В) ( ао 2); DBB (110) = 2 j/2 ~{А + В)( а^ 2).

Таким образом, плотности энергии по рассматриваемым плоско­ стям зависят от отношения В/A. Если В/A мало, то плоскости {110} имеют минимальную плотность энергии, но при больших

будет минимальной по плоскости {100}, является:

2 ]/2 (А + В) > 4А + В,

т. е.

В > 0,64Л.

Это условие, вне всякого сомнения, выполняется в переход­ ных металлах, с объемноцентрированной кубической решеткой, если исходить из теории химических связей, во-первых, потому, что высокая энергия сцепления требует сильных связей типа В,

342

и> во-вторых, благодаря малой зависимости энергии связи этих Металлов от длины связей. Связи типа В «длиннее» связей типа А лишь на 13%, т. е. действуют на расстоянии а0Поэтому даже при сильной зависимости энергии связи от расстояния (как, на­

пример, для связей углерод — углерод), энергия связи В превос­ ходит 0,64 А.

Отсюда можно прийти к заключению, что при координацион­ ном числе 14, принятом для металлов с объемноцентрированной Кубической решеткой, плоскостями скола действительно должны являться плоскости {100}.

Выводы

Рассмотрен механизм и кристаллографическая картина ско­ ла в кристаллах переходных металлов, имеющих решетку объ- ^мноцентрированного куба. Доказано, что скол должен проис­ ходить по кристаллографическим плоскостям с минимальной Поверхностной энергией и что скалываемость зависит от жестко­ сти трещины (исходя из дислокационной модели) по отноше­ нию к возвращающему моменту, который возникает благодаря анизотропии поверхностной энергии и воздействует на трещину, Находящуюся в плоскости, положение которой отклоняется от Предпочтительной плоскости скола.

В противоположность многим другим кристаллам, кристал­ лы переходных металлов с объемноцентрированной кубической решеткой скалываются по плоскостям {100}, имеющим мень­ шую плотность упаковки атомов, чем плоскости {ПО}. Это Невозможно объяснить анизотропией упругих постоянных, но вполне согласуется с поверхностной симметрией этих двух пло­ скостей и с плотностью поверхностной энергии. Если принять ко­ ординационное число для этих металлов равным 14 с 8 ближними соседями (связи Л) и 6 соседями второго порядка (связи В), то можно показать, что энергия разорванных связей по поверхно­ сти {100} меньше, чем по {НО}, при условии, что прочность свя­ зей В не ниже 0,64 прочности связей А.

Всб. «Атомный механизм разрушения. Металлургиздат, 1963, с. 220].

9.P a u l i n g L. The Nature of the Chemical Bond, Cornell Univ. Press, It­

haca, N. Y., 1961.

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ

1. ВВЕДЕНИЕ

Научный интерес к вопросам влияния среды на процессы разрушения материалов проявился уже в конце прошлого века. В 1874 г. (примерно через 10 лет после первых исследований по­ ведения водорода в металлах [1, 2]) Рейнольдс (3] сопоставил уменьшение пластичности железа с действием поглощенного во­ дорода. В 1886 г. Робертс-Аустен {4] наблюдал быстрое — в те­ чение нескольких минут растрескивание образцов холоднотяну­ того сплава золота (52,2% Аи, 33,3% Си; 12,5% Ag) при погру­ жении в раствор хлористого железа или других растворимых хлоридов; по-видимому, это первый описанный в литературе пример ускорения коррозии под действием напряжения. Коб­ ленц [5] отметил, что кристаллы каменной соли обнаруживают значительную пластичность при деформировании в растворе со­ ли, тогда как в не растворяющих их средах они остаются хруп­ кими. Это явление было знакомо работникам соляных копей [6], на него обратил внимание также Клейнханс (7]. Подробно изу­ ченное Иоффе, оно известно как эффект Иоффе, работы которо­ го с хлористым натрием [8, 9] сыграли особенно важную роль в исследовании ионных кристаллов. Природа этого эффекта вы­ звала оживленное обсуждение в литературе и привлекла внима­ ние также и других известных исследователей: Эвальда и Поляни [10, 11], Смекала [12, 13] и позднее Орована [14].

Данные о хрупкости твердых металлов, возникающей под действием жидких металлов, были опубликованы впервые

в1914 г. [15, 16]. По-видимому, Хейн, изучавший хрупкость P-латуни, содержащей 2% А1, под влиянием ртути, был первым, кто отметил роль напряжения как важнейшего фактора в этом явлении.

Вдвадцатых годах эта область начинает интенсивно разви­ ваться, привлекая, в частности, внимание таких известных ме­ талловедов, как Дэш [17] и Мур [18, 19]. Мур, также изучавший хрупкость латуни, вызываемую действием ртути, сформулиро­ вал ряд важных выводов: разрушение начинается на поверхно­ сти по границам зерен; инкубационный период до зарождения трещин зависит от уровня напряжений (статическая усталость);

вотсутствие напряжений расплав по границам зерен не прони­ кает; напряжение и деформация, достигаемые к моменту разру­ шения, зависят от скорости деформации.

За последние сорок лет появилось значительное число пуб­ ликаций о влиянии среды на механические свойства и характери-

1 A. R. С. Westwood.

стики разрушения различных материалов (особенно сплавов, широко применяющихся в технике). К сожалению, литератур­ ное данные в значительной степени разрознены, противоречивы н далеко не всегда могут служить удовлетворительной основой Для выяснения механизма рассматриваемых явлений. Некоторые частные проблемы изучены достаточно обстоятельно и получили обобщение в ряде книг и обзоров. Сюда относятся: водородная хрупкость [20, 21], коррозия под напряжением [22, 23] и хруп­ кость под действием жидких металлов [24]; однако и по этим во­ просам имеется немало противоречий во взглядах исследовате­ лей на природу явлений.

Следует отметить, что большое число недоразумений связа­ но с инженерным подходом, принятым во многих исследованиях. Лишь относительно немногие авторы работали с кристаллами высокой степени чистоты и осуществляли достаточно тщатель­ ный контроль среды; вообще число систематических, детальных исследований еще недостаточно. Так, в связи с обсуждением яв­ лений хрупкости под действием жидких металлов Ростокер и сотрудники [24] отмечают, что ни для одной пары жидкий ме­ талл — твердый металл нет достаточно подробных данных, кото­ рые позволили бы выяснить зависимость степени проявления эффекта от температуры, скорости деформации, времени, пред­ шествующей обработки и химического состава твердого и жид­ кого материалов.

Наши знания о влиянии среды на процессы разрушения нуж­ даются в значительном дальнейшем развитии. Поэтому автор Данной работы решил ограничиться в основном описанием неко­ торых наиболее интересных особенностей влияния различных сред на процессы разрушения монокристаллов, а также анали­ зом существующих представлений о природе этих явлений. В тех случаях, когда данные о монокристаллах недостаточны, а затра­ гиваемые явления представляют особый интерес, привлекаются необходимые данные о поликристаллических материалах.

Для удобства все среды разделены на следующие три типа: 1. Твердые среды, например, электролитические покрытия, окисные и хлоридные поверхностные пленки, диффузионные по­

верхностные слои (раздел 3).

2. Жидкие среды, в том числе растворы неорганических ве­ ществ с различной коррозионной активностью; растворы, содер­ жащие органические поверхностно-активные вещества; жидкие металлы (разделы 4—6).

3. Газовые среды (раздел 7).

Эту классификацию нельзя абсолютизировать, поскольку не­ которые среды могут действовать в конечном счете как газовые (например, процессы электроосаждения приводят иногда к во­ дородной хрупкости); в свою очередь, газовые среды могут реа-

345

дислокаций, образующих скопление, выражается соотношением

где /г — число дислокаций в исходном скоплении;

гкасательное напряжение, действующее на это скопле­ ние;

Е — модуль Юнга.

Теоретически показано также, что трещина, образовавшаяся в результате слияния дислокаций, будет распространяться, если величина поверхностной энергии, с которой связано ее продви­ жение, уР <g; yj [37, 39].

В материалах, обладающих некоторой пластичностью, напри­ мер в латуни или малоуглеродистой стали часть упругой энер­ гии, необходимой для продвижения трещины, расходуется на пластическую деформацию в области ее вершины. Действитель­ но, в поликристаллических материалах большая часть освобож­

где р — энергия, поглощаемая пластической деформацией.

Так как р может превышать у0 в 10—103 раз [40, 41], уравне­

В таких материалах зародившиеся трещины растут до крити­ ческих размеров по мере нарастания пластической деформации. Скользящие дислокации либо приходят к вершине трещины и вливаются в полость, либо, наоборот, образуются у вершины и, уходя в сторону, приводят к тому, что материал отступает от вершины трещины [42]. Орован [43] предположил также, что по­ ля растягивающих напряжений у краевых дислокаций в поло­ сах скольжения, находящихся в пределах 100 межатомных

347