книги / Разрушение твердых тел

расстояний от вершины трещины, складываются с приложенным напряжением и способствуют росту трещин.

В очень пластичных материалах, например в чистой меди, или в материалах, имеющих высокую энергию дефектов упаков-. ки, — таких как алюминий и ниобий, при исследовании тонких пленок обычно не обнаруживается дислокационных скоплений, однако имеются данные о том, что после значительной деформа­ ции возле примесных частиц зарождаются «пластические поло­ сти» [42, 44]. Можно отметить, что эти материалы менее чувст­ вительны к появлению хрупкости, вызываемому действием среды.

Подробное описание механизмов разрушения можно найти в других работах данного сборника. Для наших же целей доста­ точно кратко отметить, что среда может влиять и на зарождение трещины, и на ее распространение. Одни среды влияют на оба процесса, например в случаях хрупкости, вызываемой жидким металлом, другие — лишь на один из них, — например, твердые покрытия сказываются лишь на зарождении трещин.

Одним из наиболее важных факторов, определяющих влия­ ние среды на зарождение трещин в ионных кристаллах, является наличие и действие поверхностных источников дислокаций, так как эти источники очень сильно сказываются на распределении дислокаций. Нанесение или удаление поверхностных слоев в большинстве случаев оказывает влияние на зарождение тре­ щин. Наличие твердых поверхностных слоев препятствует выхо­ ду дислокаций из кристалла и приводит к образованию дислока­ ционных скоплений и слиянию дислокаций, что может оказаться очень существенным для хрупких или чувствительных к надрезу материалов. Напротив, удаление поверхностных слоев или пле­ нок ведет к замедлению формирования опасных дислокационных скоплений.

В случае пластичных материалов напряжение, необходимое для продвижения трещины, выше, чем напряжение, требующееся для ее зарождения, т. е. сTP > G I. Однако вызывающие хруп­ кость среды значительно снижают напряжения, необходимые для продвижения трещины, влияя на величину уР. Поскольку у металлов основными компонентами уР являются у0 и р, хруп­ кость может быть результатом либо уменьшения величины р, например вследствие блокирования дислокационных Источников перед вершиной трещины, либо снижения у0 при адсорбции по­ верхностно-активных веществ в вершине трещины. Среда может вызвать также и повышение аР вследствие уменьшения остроты трещины в результате растворения, но может привести и к заост­ рению трещины, если адсорбирующееся вещество образует при реакции с основным материалом прочное стабильное соедине­ ние вблизи вершины трещины, которое, как мостик, соединяет поверхности трещины [45].

348

Влияние различных твердых поверхностных покрытий на пла­ стическое течение кристаллов рассматривается во многих иссле­ дованиях i[46, 47]; однако лишь немногие авторы изучали влия­ ние таких покрытий на процесс разрушения. Твердые покрытия оказывают влияние на напряжение и деформацию при разруше­ нии и в ряде случаев ла самый характер разрушения, прежде всего потому, что они изменяют условия выхода дислокаций на поверхность кристалла. Показано, что эффективность поверхно­ стных пленок как дислокационных барьеров зависит от следую­ щих факторов [48, 49]: 1) адгезии между пленкой и подложкой; 2) образования сплавов материалов пленки и подложки; 3) ме­ таллографической структуры пленки и ее механических свойств; 4) различия модулей упругости пленки и подложки [50]; 5) сте­ пени несоответствия решеток пленки и подложки [51].

Влияние твердых покрытий на разрушение металлических кристаллов

Многочисленные исследования были проведены на монокри­ сталлах цинка. В 1951 г. Гилмен [52] отметил, что электроосаж-

о

денная пленка меди толщиной ~3000 А снижает прочность цин­ ковых кристаллов, имеющих угол между плоскостью базиса и осью растяжения хо = 45° Это частное наблюдение не нашло подтверждения в работах последующих исследователей [53—55]; вместе с тем было установлено, что поверхностные пленки дей­ ствительно влияют на сопротивление сколу монокристаллов цин­ ка, повышая или понижая его в зависимости от кристаллогра­ фической ориентации. Гринаф и Райдер [53] показали, что при 20° < хо < 70° напряжение скола цинковых кристаллов с медным покрытием приблизительно вдвое превышает напряжение скола кристаллов без покрытия, но при этом предельная деформация

Си, Sn или ZnO, если толщина этих пленок превышает 500 А. Однако и предельная деформация возрастает при этом примерно в два раза. При ориентации кристалла %о = 83° разрушающее напряжение кристалла с покрытием примерно на 50% ниже, чем кристалла без покрытия. В этом случае поверхностные плен­ ки мало влияют на деформацию, и кристаллы с покрытием, так же как и без него, разрушаются при очень малых деформациях.

349

Некоторые особенности влияния жидких и газообразных ср£д на прочность а/ металлических кристаллов также можно объяснить в связи с образованием (в результате химических Реакций) когерентных твердых и хрупких соединений на поверх­ ности кристалла. Вайнер [59] изучал влияние различных сред на характеристики разрушения «чистых» цинковых кристаллов [54] с ориентацией %о = 3°. Он установил, что азот, водород, гелий и

расстояний на характеристики разрушения нитевидных кристал­ лов железа и отметил, что это покрытие может повысить проч­ ность вдвое (рис. 1). Однако, исследуя медные и серебряные ни­ тевидные кристаллы диаметром 3—10 мкм%Вебб и Стерн [61] установили, что образование окисных пленок (потускнение) не влияет на механические свойства.

Краткий обзор влияния пленок твердых покрытий на стати­ ческую и усталостную прочность поликристаллических метал­ лов можно найти в работе [47].

Влияние твердых покрытий на разрушение ионных кристаллов

Резкое понижение прочности и пластичности ионных кристал­ лов под влиянием твердых покрытий связано с двумя обстоя­ тельствами: образованием скоплений краевых дислокаций на границе пленки с подложкой, которые приводят к зарождению

351

трещин, распространяющихся далее по плоскостям спайности, и присущей чистым ионным кристаллам чувствительностью к кон­

центраторам напряжений.

Вествуд [35] нашел, что в результате диффузии ионов магния в поверхностные слои кристаллов LiF (при нагреве последних в контакте с порошком MgO при 600—700° С) разрушающее на­ пряжение и деформация снижаются примерно на 50%. Другие авторы, исследовавшие влияние насыщения поверхности кри­ сталлов LiF магнием, показали, что условия разрушения зави­ сят от глубины диффузии [62]. При высоком содержании примеси кристаллы оказываются совершенно хрупкими, так как диспер­

озон делают более хрупкими-кристаллы каменной соли вследст­ вие образования поверхностного слоя NaC103. Выдержка на воз­ духе приводит также к уменьшению пластичности кристаллов КС1 [63]; однако такие кристаллы КС1 с пониженной предельной деформацией имеют более высокий предел текучести и большую прочность, чем пластичные (рис. 2), вероятно, из-за изменения условий работы поверхностных источников дислокаций. Паркер [64] считает, что если хрупкость вызывается поверхностными тре­ щинами, имевшимися до начала деформации (возникшими, на­ пример, при выкалывании образцов или в результате термиче­ ских активаций [65]), то хрупкие кристаллы должны разрушать­ ся при меньших напряжениях, чем пластичные. С этой точки зрения влияние воздуха на уменьшение пластичности кристаллов хлористого калия следует рассматривать как пример проявле­ ния иного механизма, связанного с образованием на поверхности кристалла химических соединений.

Стокс с сотрудниками [36] рассмотрели особую роль, кото­ рую могли играть поверхностные пленки в более ранних иссле­ дованиях эффекта Иоффе, и нашли, что в поверхностных слоях кристаллов NaCl после водной полировки и просушивания об-

352

Наибольший интерес для металлургии представляют среды 2-й группы. Именно к этим средам относятся явления коррозии под напряжением и хрупкости под действием жидких металлов. В настоящее время вопрос о влиянии жидких сред на зарожде­ ние трещин разработан меньше, чем вопрос о влиянии этих сред на распространение трещины; при этом лишь небольшое число исследований, посвященных первой проблеме, выполнено на мо­ нокристаллах.

Жидкие среды могут повышать и понижать разрушающее напряжение и предельную деформацию кристаллов. Вообще го­ воря, среды 1-й группы увеличивают прочность и пластичность, а среды 2-й группы снижают их. Среды 3-й группы оказывают влияние на свойства кристалла в том случае, если они содержат поверхностно-активные вещества; при этом также может наблю­ даться снижение прочности и величина эффекта зависит от ско­ рости деформации и температуры испытания [66].

Жидкие среды также могут в результате химических реакций образовать «твердые» покрытия на кристаллах или, как в случае катодной поляризации, привести к растворению в кристалле га­ зов; подобные возможности здесь не рассматриваются.

Влияние растворяющей среды на процесс разрушения

Одной из причин повышения пластичности кристаллов в та­ кой среде является удаление в результате растворения поверх­ ностных барьеров, препятствующих выходу дислокаций. Напри­ мер, хрупкие на воздухе кристаллы NaCl или КС1 обнаружива­ ют при испытании в ненасыщенных водных растворах тех же веществ высокую прочность и пластичность, так как удаляется хрупкий поверхностный слой NaC103 или КСЮ3. Принято счи­ тать, что это связано с эффектом Иоффе [8, 9]; впрочем, недав­ но было высказано предположение [36] о том, что термин «эф­ фект Иоффе» следует относить к случаям, когда в результате растворения удаляются поверхностные трещины, имевшиеся в образце уже перед испытанием и образовавшиеся, вероятно, при выкалывании образцов [26] или при их термической обра­ ботке [65]. Представление об удалении «поверхностных препят­ ствий» скольжению для объяснения повышения пластичности в среде растворителя было введено впервые ЭвальДом и Поляни [10] в 1924 г.; соответственно, данный эффект можно было бы выделить как «механизм Эвальда — Поляни».

Классен-Неклюдова [67] также пришла к заключению о не­ обходимости рассматривать два типа дефектов, определяющих свойства кристаллов NaCl: первичные дефекты типа поверхно­ стных трещин и вторичные — образующиеся на поверхности кри­ сталла при пластической деформации. Автор отмечает, что при

354

испытании на воздухе кристалла, у которого первичные дефек­ ты были удалены в результате растворения, наблюдается некото­ рое возрастание прочности и пластичности, однако не столь значительное, как при испытании в среде растворителя. Было высказано предположение о том, что в последнем случае раство­ ритель уничтожает барьеры для скольжения, образующиеся в поверхностных слоях в ходе пластической деформации. Сузуки [68] нашел дальнейшие подтверждения образования поверх­ ностных барьеров для выхода дислокаций при пластической де­ формации КС1, а Крамер и Демер [69] показали это для кри­

деформации кристаллов цинка и висмута в растворах азотной и серной кислот, а также на воздухе. В кислоте прочность и пре­ дельная деформация кристаллов висмута значительно повыси­ лись (AOf ~ 270%); у цинковых образцов заметного эффекта не наблюдалось. Это различие в поведении можно связать с разли­ чиями в структуре кристаллов и в характере деформации: цинк,

германиевых кристаллов. Исследованные кристаллы имели фор­ му стержней размером 1,5 X 1,5 X 5 мм с осью < 1 1 1> и под­ вергались изгибу при четырехточечной схеме нагружения в сре­ де травителей, состоящих из различных смесей HF и HN03. Ка­ ких-либо признаков пластической деформации, предшествующей разрушению, обнаружено не было, однако в травителе стержни выдерживали значительно большие нагрузки, чем на воздухе. На рис. 4 приведены результаты этих испытаний. С увеличением

48 кГ/мм2), достигаемого При скорости травления 0,15 мм/ч. При

дальнейшем увеличении скорости травления разрушающее на­ пряжение понижается и, наконец, достигает постоянного уровня

в процессе испытания непрерывно или когда образец после трав­ ления защищен от воздуха. Авторы пришли к выводу о сильном влиянии на механизм разрушения скорости травления (а также состава травителя, поскольку он определяет скорость травле­

СР-4 наблюдалось чрезвычайно большое повышение прочности и разрушающие напряжения достигали i~ 3 Гн/м2 (300 кГ/мм2). В этом случае также не было обнаружено признаков макроско­ пической пластической деформации, предшествующей разруше­ нию, однако изучение фигур травления показало, что при комнатной температуре могут возникать дислокации и деформа­ ционные двойники. Закономерности разрушения образцов в рас­

надвое; трещина в этих случаях зарождается у поверхностного дефекта. Джонстон считает, что значительное повышение проч­ ности, наблюдаемое в среде СР-4, связано с большой скоростью травления, не допускающей развития мелких поверхностных трещин до критических размеров до тех пор, пока не достигает­ ся теоретическое значение сил сцепления в кристалле.

Кристаллы германия подвергали также действию напряже­ ния ~ 3 Гн/м2 (~ 3 0 0 кГ/мм2), в растворе СР-4 в течение трех минут, а затем переносили в раствор HF и нагружали в 14 раз слабее, что приводило, однако, к немедленному разрушению об­ разцов. Было высказано предположение, что такое резкое па­ дение прочности в растворе HF, видимо, связано с понижением поверхностной энергии германия.

Растворяющие среды могут влиять на характеристики раз* рушения также вследствие удаления легко активируемых по­ верхностных источников дислокаций. В данном случае изменяет­ ся напряжение, при котором начинается генерирование дислока­ ций, а также распределение дислокаций в кристалле. Эти факторы оказывают особенно значительное влияние на механиче­ ские свойства ионных кристаллов [35, 73]**. На рис. 5 представ-653*

* Состав травителя СР-4: 50 см3 6 8 %-ной H N03, 30 см3 99,8%-ной СН3СООН, 30 сл13 48%-ной HF, 0,6 см3 Вг.

(!** А также по данным Т. Джонстона и Э. Паркера.

356