книги / Разрушение твердых тел

зультате химического взаимодействия и последующее распрост­ ранение хрупкой трещины, справедлива также для сплава Си — Аи и других сплавов, имеющих низкую скорость течения из-за взаимодействия дислокаций с фазовыми включениями или при­ месными атмосферами. Можно ожидать, что эта теория даст со­ гласие, с опытом в зависимости чувствительности к растрескива­ нию при коррозии под напряжением от состава сплава [97]; она предсказывает также существование подобной зависимости от степени предварительной деформации.

Возникновение хрупкости твердых металлов под действием жидких металлов

Большая часть работ по изучению хрупкости, вызываемой жидкими металлами, была выполнена на поликристаллических листовых образцах, часто имевших сложный состав. И лишь советской школой исследователей во главе с Ребиндером, Лихтманом и Щукиным предпринято систематическое изучение отно­ сительно чистых металлических монокристаллов. Преимущест­ венный интерес к поликристаллическим материалам был связан с тем, что в этом случае хрупкость может проявляться особенно наглядно и иногда происходит катастрофическое разрушение по границам зерен; скорость роста трещин может достигать при этом 500 см/сек [24], тогда как для коррозии под напряжением типичны скорости порядка 1 см/ч [98].

Характерные особенности хрупкости возникающей под дейст­ вием жидких металлов, состоят в следующем 1 [24] *. Прежде все­ го очень важно, чтобы жидкий металл вступал в очень тесный контакт с твердым металлом (т. е. смачивал его); при этом не

1 Этот краткий очерк затрагивает лишь отдельные вопросы в исследова­ нии эффектов понижения прочности и пластичности металлов под действием расплавов. Подробное всестороннее изложение проблемы дано в1 ряде моно­ графий [24, 178, 180, 183], обзоров [127, 1'31, 181, 188] и оригинальных работ. Необходимо отметить, в частности, детальные исследования монокристаллов, впервые раскрывшие физическую природу хрупкости под действием жидких металлов — понижение свободной поверхностной энергии [178]; выяснение при­ чин избирательности действия различных жидких металлов [189, 190]; выясне­ ние закономерностей и механизма зарождения и распространения трещины в присутствии тонкой пленки или капель расплава [191—193]; подробные ис­ следования зависимости степени понижения прочности и пластичности от тем­ пературы и скорости деформации, концентрации основного активного компо­ нента, наличия примесей в твердой фазе и в расплаве, кристаллографической ориентировки и др. факторов [132, 194—196]; открытие, помимо проявления хрупкости, также эффектов упрочнения, пластифицирования и самопроизволь­ ного диспергирования под действием сильно адсорбционно-активных металли­ ческих расплавов [178, 188]; изучение влияния тонких расплавленных покры­ тий на длительную прочность, усталость и внутреннее трение в металлах [197—200] и т. д. Прим. ред.

* См. также данные: Kraai D. А. а. о. AFOSR Rept. № TR 60-116 July. I960.

должно быть препятствующих такому контакту пленок, напри­ мер, окисных. Если смачивание обеспечено, то хрупкость может проявляться при растяжении или кручении, но только не при сжатии.

В противоположность коррозии под напряжением хрупкости под действием расплавов подвержены и чистые металлы, но лишь при определенных сочетаниях жидкого и твердого металла; оп­ ределение таких пар твердый металл — жидкий металл имеет большое значение. Например, литий сильно понижает прочность и пластичность поликристаллической меди и железа, но не ока­ зывает такого действия на сплавы алюминия. Галлий вызывает межзеренное разрушение алюминия и цинка, но не влияет на магний. Ртуть делает хрупкими латунь и цинк, тогда как данные о влиянии ртути на медь противоречивы: в одних случаях эффект был обнаружен [121, 122] *, а в других — нет [124].

Причины такого избирательного влияния металлов пока не выяснены, однако в качестве эмпирического правила можно при­ нять, что хрупкость обнаруживается для таких сочетаний жид­ кого и твердого металлов, которые имеют ограниченную взаим­ ную растворимость и не склонны к образованию интерметаллидов К

Уменьшение пластичности и прочности может иметь различ­ ную степень, и 'катастрофическое хрупкое разрушение представ­ ляет лишь предельный случай. «Активные» жидкие металлы обычно влияют на разрушающее напряжение и предельную де­ формацию, но не изменяют заметным образом предела текучести. Хрупкому разрушению под действием расплава должна пред­ шествовать некоторая пластическая деформация.

Проникновение жидкого металла по границам зерен в резуль­ тате диффузии или растворения (коррозии) не является основ­ ным для проявления хрупкости2, так как образцы, подвергнутые*12

*См. стр. 400.

1Это правило сформулировано в 1958 г. Перцовым и Ребиндером [189]. Дальнейшее изучение причин избирательности действия расплавов показало, что проявление хрупкости под действием расплава однозначно связано с ве­ личиной энергии смешения и структурой электронных оболочек. Именно силь­ ному снижению поверхностной энергии и соответственно падению прочности и

пластичности твердого металла В под влиянием жидкого металла А в боль­

области твердых растворов узки); вместе с тем асе эти особенности наблюда­ ются обычно в тех случаях, когда оба металла А и В являются непереходны­ ми, т. е. не имеют частично заполненных электронами внутренних уровней (Щукин, Сумм, Горюнов [190]; Щукин, Ющенко [201]). Таким образом, изби­ рательность действия расплавов получает объяснение в связи с анализом ха­

рактера межатомных взаимодействий. Прим. ред.

2 Системы А1—Ga и Sn—Ga составляют, по-видимому, исключения.

действию соответствующего растягивающего напряжения, могут в некоторых случаях разрушаться немедленно после смачивания их активным жидким металлом. Более того, часто проявление хрупкости усиливается с понижением температуры (рис. 12 ) [125]. Эффект может наблюдаться вплоть до точки затвердевания данного жидкого металла (или даже несколько ниже ее) [122].

Границы зерен не влияют решающим образом на проявление хрупкости, поскольку монокристаллы также подвержены дейст­ вию жидкого металла. Однако если цинковые монокристаллы становятся хрупкими под влиянием ртути [125— 127] (рис. 13), то монокристаллы латуни, по-видимому, не обнаруживают этого

Температурами

эффекта [87]. Морган [128] сообщает о том, что расплавленный висмут не действует на монокристаллы меди, а также бикри­ сталлы с малыми углами разориентации; в то же время бикри­ сталлы с большими углами разориентации становятся при этом хрупкими; максимальная величина эффекта наблюдается, если граница зерна перпендикулярна к оси растяжения.

Опыты, выполненные на поликристаллических металлах, по­ казывают, что для непрерывного распространения трещины необ­ ходим хороший подвод жидкого металла, который обязательно должен быть в вершине трещины К Поэтому на скорость распро-

1 Закономерности и механизм распространения макроскопических трещин разрушения в поликристаллических металлах в присутствии расплава подробно

рост трещины включает несколько стадий, и на основной из Них происходит

странения трещины влияют внешнее давление и ее длина. Для выяснения зависимости этой скорости от давления {129] подводи-

ЛИЛ £ п КрЫТ0Му концу Растущей трещины столбики ртути высо­ той 760 мм и для сравнения 25 мм. В первом случае скорость рас­

пространения трещины была больше, а максимальная длина трещины увеличивалась втрое. В других опытах была установле­ на обратная пропорциональность скорости развития трещины ее Длине, т. е. расстоянию от источника жидкого металла. В связи с этими наблюдениями (относящимися к хрупкому разрушению Поликристаллических листовых образцов алюминия при изгибе в Присутствии ртути) исследователи отмечают, что скорость разви­ тия трещины определяется механизмом течения жидкой фазы. Вместе с тем учет геометрии трещины в области ее вершины и таких факторов, как вязкость жидкой фазы, давление, действую­ щее на жидкую фазу и т. д., приводит к предположению о том, что жидкий металл не затекает в самую вершину трещины, а об­ разует мениск на некотором расстоянии от вершины трещи­ ны {24], достигая вершины лишь путем поверхностной диффузии.

Ранее хрупкость под действием жидких металлов не рассмат­ ривали как электрохимический процесс; однако Тинер {122] не­ давно отметил, что долговечность при циклических испытаниях поликристаллических цинковых или медных образцов, погружен­ ных в ртуть, может быть существенно повышена, если ртуть является катодом по отношению к образцу (табл. 3).

Т а б л и ц а 3

Влияние поляризации на долговечность при циклических испытаниях поликристаллических медных и цинковых образцов, покрытых ртутью1

1 По Тинеру [ 122].

Хрупкое разрушение монокристаллов под действием жидких металлов. Многочисленные исследования хрупкости, вызываемой жидкими металлами, выполнены на цинковых кристаллах в при­ сутствии ртути [125— 127], жидкого галлия [130, 131] и олова [132, 133]; установлено, что эти металлы могут снижать предель­ ную деформацию цинка е/ в 10—100 раз. На рис. 14 показана за-

висимость 8/ от угла ориентации хо чистых монокристаллов цинка и образцов с ртутным и галлиевым покрытиями. При ком­ натной температуре с увеличением %о значение е/ возрастает у чистых образцов и уменьшается у амальгамированных кристал­

лов; интересно, что аналогичное снижение е/ с ростом хо наблю­ дается у неамальгамированных кри­

k2— безразмерный коэффициент, близкий к единице; V — поверхностная энергия;

L — размер зерна или диаметр образца для монокристалла. (К сходному результату независимо пришел Стро [134}). Если угол Х0 между направлением скольжения и осью растяжения близок к углу хо> то можно показать, что

Из рис. 15 следует, что экспериментальные значения <х„/(хо) и