книги / Разрушение твердых тел

девания галлия. В этом случае галлированные кристаллы долж­

пятствиями обычно являются границы зерен; этот случай рас­ сматривается, например, в работе Николса и Ростокера [138]. Ре­ зультаты, полученные авторами, частично справедливы и для слу-1

1 Опыты с монокристаллами [178], исключившие возможность межкристаллитной коррозии, показали, что в основе механизма хрупкого разрушения под действием жидких металлов (как и многих других явлений, связанных с влия­ нием среды на механические свойства твердых тел в отсутствие заметной роли растворения или коррозии) лежит понижение свободной энергии данного твердого металла на границе с расплавом, т. е. снижение работы образования новых участков поверхности в ходе деформации и разрушения; в микромас­ штабе этому отвечает облегчение разрыва и перестройки межатомных связей

в присутствии определенных, адсорбционно-активных атомов или молекул; для данной пары металлов А и В этот фактор однозначно связан с взаимодей­ ствиями А — Л, В — В и А — В (см. прим. ред. на стр. 371). Вместе с тем, в работах [127, 133, 188], авторы которых впервые использовали теорию дис­ локаций для выяснения механизма адсорбционного понижения прочности, было показано, что проявление хрупкости под действием жидких металлов тесно

связано с реальной структурой твердого металла, прежде всего с его дислока­ ционной структурой и изменениями, происходящими в этой структуре в про­ цессе пластической деформации; соответственно был развит дислокационный механизм зарождения трещины и ее перерастания в опасную «гриффитсову» трещину в присутствии расплава, включающий представления о формировании дислокационных скоплений, закреплении дислокаций атомами расплава с уче­ том влияния температуры и скорости деформации, а также кристаллографиче­ ских факторов [194—106]. В соответствии с этими представлениями действие расплава заметно ослабляется в случае совершенных монокристаллов с малой плотностью дислокаций, что и наблюдали Рожанский [136] и в более поздних работах Вествуд с сотрудниками [186, 187]. Прим. ред.

ая разрушения монокристаллов, так как удалось установить, что ^ Некоторых металлов трещины зарождаются внутри зерен. НаРимер^ внутризеренные трещины могут возникнуть в сплаве

6 3 ° i Si П0Д действием расплавленного лития, в стареющем сплаве Аь4% Си — под влиянием ртути при комнатной темпе­

ратуре; напротив, такие трещины не образуются в а-латуни или сплаве А1 — 6 % Mg в присутствии ртути, а также в чистой меди в присутствии расплавленного висмута. Причина такого разли­ чия заключается, вероятно, в том, что в латуни, алюминии и меди при малых деформациях отсутствуют внутри зерен прочные барьеры, перед которыми могли бы образоваться скопления дис-

стицы СиА12, служащие барьерами, возле которых зарождаются трещины: в о. ц. к. кристаллах Fe—3% Si трещины возникают в результате взаимодействия дислокаций в пересекающихся си­ стемах скольжения [139].

Исследования монокристаллов, в частности кадмия, отчетли­ во показали, что присутствие атомов «активных» жидких метал­ лов способствует и зарождению, и распространению трещин. Отсюда следует, что атомы жидкого металла приводят либо к образованию новых дислокационных барьеров, либо к стабилиза­ ции уже имевшихся потенциальных барьеров для движения дис­ локаций. Представляется мало правдоподобным, чтобы какиелибо барьеры могли возникнуть на поверхности раздела жидкого и твердого металлов, особенно если происходит растворение. Бо­ лее вероятным процессом является диффузия атомов жидкого металла внутрь кристалла по выходящим на поверхность дисло­ кационным «трубкам». При этом субграницы насыщаются ато­ мами жидкого металла и их проницаемость для скользящих дис­ локаций снижается; удерживаемые скользящие дислокации могут затем полностью потерять подвижность в результате обра­ зования вокруг них атмосфер атомов расплава. В ходе испытания проникновение атомов жидкого металла в кристалл остается сравнительно незначительным, но несмотря на это, такие атомы оказывают очень сильное влияние, создавая препятствия для дви­ жения дислокаций, особенно в поверхностных слоях. Таким об­ разом, трещины, возникающие в результате образования скопле­ ний дислокаций и их последующего слияния, должны присутст­ вовать и в поверхностных слоях, где расплав особенно энергично

способствует их распространению.

Механизм образования трещин у стабилизированных средой барьеров должен зависеть от материала. В г. ц. к. металлах мо­ жет действовать механизм скопления дислокаций, предложенный Моттом [140] и Стро [141], а в о. ц. к. металлах — механизм Коттрелла [139]. В случае гексагональных плотноупакованных металлов может оказаться эффективным либо механизм Гилмена

металлов основной составляющей у £ обычно является энергия р,

поглощаемая в процессе пластической деформации перед верши­ ной трещины. Однако, согласно Гилмену [45], в случае трещины в

гДе Ху предел текучести кристалла К

Тогда, если у0 в результате адсорбции уменьшается на вели­ чину ау, то пропорционально уменьшается и р. Более того, так

уменьшаться пропорционально dy/y0.

Химически активная среда может вносить также специфиче­ ские «химические эффекты». Исходя из проведенного Эллиотом [146] анализа распределения атомов в вершине трещины скола, Гилмен [45] считает, что межатомные связи в области вершины трещины особенно подвержены химическому воздействию, так как атомы смещены здесь почти до положения отрыва.

В неметаллических материалах, например в слюде, на рас­ пространение трещины часто влияют энергетические факторы, непосредственно не связанные с у0. Так, было высказано предпо­ ложение о том, что в качестве общей энергетической характери­ стики правильнее рассматривать не эффективную поверхностную энергию, а полную энергию разрушения ср.

Для металлических кристаллов

где г] — разница отнесенных к единице поверхности энергий, тре­ буемых для разрыва атомных связей у вершины тре­ щины при наличии и при отсутствии химически актив­ ных веществ.1

1 По более поздним данным Гилмена [120].

P ~ — ( E h v) у0 « ^ У о (12а),

где Ос характеризует силы сцепления в кристалле.

Для слюды необходимо принимать во внимание также влия­ ние среды на выделение электрической энергии при развитии трещин (раздел 6). Такие эффекты, вероятно, могут объяснить большое различие в энергиях разрушения слюды на воздухе 300—650 мдж/м2 [2, 83, 147, 148] и в вакууме 1000—5000 мдж/м2

мов, ионов или молекул возрастает определенным образом вели­

чина Г).

Желательно непосредственное экспериментальное определе­ ние компонент ф (уо, Р, для различных пар металл — расплав, так как знание этих величин должно способствовать расшифров­ ке протекающих механизмов. Первые попытки в этом направле­ нии были предприняты при исследовании пары цинк — ртуть с использованием метода расщепления кристалла по Обреимову [83] и Гилмену [84] для определения значений ф. Предваритель­ ные результаты показывают, что при тщательной работе можно расщепить кристалл цинка чистотой 99,999% при температуре до 310°К без заметной пластической деформации {р < 10 мдж/м2). Это позволяет оценить значение г) с достаточной точностью. Не­ которые из полученных результатов приведены в табл. 4. Значение ф 2 9 8 оК —53 мдж/м2, полученное для кристаллов цинка, со­

держащих ртуть в области вершины трещины, находится в хоро­ шем соответствии с величиной, определенной на основании ис­ пытания амальгамированных кристаллов цинка на растяжение (Лихтман и Щукин [127], рис. 16), а именно 57 мдж/м2. Эти зна­ чения близки также к величине энергии, связанной с распростра­ нением трещины по границам зерен в амальгамированных образ­ цах а-латуни (Николс и Ростокер [138]), т. е. 37 мдж/м2.

Большое число «неизвестных параметров» затрудняет разра­ ботку достаточно достоверного механизма возникновения хруп­ кости. Естественно полагать, что хрупкость вызывается адсорб­ цией атомов жидкого металла в вершине трещины. В таком слу­ чае возможны следующие варианты: ( 1 ) адсорбирующая фаза подводит к системе энергию, которая расходуется на процесс распространения трещины; (2 ) адсорбирующая (или адсорбируе-

Робертсон и Улиг [151, 152] наблюдали интереснейший пример разрушения, связанного с действием среды, 'при котором отсутст­ вовали коррозия и внешние напряжения. Монокристаллы Mg2Sn, медленно 'выращенные из ра­ сплава, самопроизвольно растрескивались по октаэд­ рическим плоскостям при погружении в дистиллиро­ ванную воду. Трещины за­ рождались относительно медленно, но распространя­ лись с большой скоростью, и в течение нескольких часов кристалл рассыпался © по­ рошок. Авторы связывают это явление с наличием-срод­ ства магния с водой. По-ви­ димому, молекулы воды или ионы (ОН)~ внедряются в

решетку Mg2Sn по плоско­

стям { 1 1 1 } и вызываемые ими искажения решетки создают напряжения достаточные для растрескивания кристалла.

Влияние нерастворяющих жидких сред, содержащих органические поверхностно-активные вещества.

Эффект Ребиндера

Ребиндер с сотрудниками детально исследовал влияние, ока­ зываемое такими поверхностно-активными органическими соеди­ нениями, как жирные кислоты и спирты, на пластическое течение и упрочнение металлов в условиях растяжения с постоянной ско­ ростью ползучести [66]; меньшее внимание было уделено про­ цессам разрушения. Среды указанного типа обнаруживают склонность к снижению разрушающего напряжения, причем ве­ личина эффекта, как и в случае хрупкости под действием жидких металлов, зависит от температуры, скорости деформации и со­ става среды. На рис. 24 показано влияние различных жирных кислот и цетилового спирта на разрушающее напряжение моно­ кристаллов свинца. В инактивной среде (вазелиновом масле) разрушающее напряжение составляет ~ 11 Мн/м2 ( — 1100 Г/мм2) при скорости деформации ~ 2 5 0 %/мин) максимальное снижение прочности, таким образом — около 30%. В настоящее время еще нет достаточно полного объяснения этих эффектов К*25

1 В 1958 г. в работах [188, 194] для объяснения действия такого рода сред

Рис. 24. Влияние скорости деформации и температуры на величину понижения разрушающего напряжения (в скобках кГ/мм2) монокристаллов свинца в поверх­ ностно-активных средах:

а — раствор олеиновой кислоты в вазелиновом масле, 293° К; б — раствор пальмитиновой кислоты в вазелиновом масле, 293° К; в — раствор цетилового спирта в вазелиновом масле, 293° К; г — раствор олеиновой кислоты в вазелиновом масле, 373° К (Лихтман и др. [66])

7. ВЛИЯНИЕ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ

Газообразные среды могут влиять на процессы разрушения различными путями. Возможны следующие механизмы:

1. Химическая реакция в поверхностном слое, приводящая к образованию относительно твердых (часто — хрупких) соедине­ ний на поверхности, например, окислов металлов, хлоратов ион­ ных кристаллов и т. п. (раздел 3).

2. Диффузия в поверхностные слои кристалла, вызывающая остаточные сжимающие напряжения и образование на поверх­ ности упрочненного чехла, например при цементации или азоти­ ровании; разрушающее напряжение может возрасти при этом примерно на 50%.

3. Диффузия в объем кристалла с последующим осаждением атомов в основном вдоль дислокаций, что вызывает появление хрупкости (например, диффузия азота в хром [153], водорода в ванадий [154]).

4. Объемная диффузия с последующим осаждением атомов в полостях [155—158], в областях трехосного напряженного состоя-бо

об адсорбционном понижении поверхностного потенциального барьера, кото­ рый должны преодолевать дислокации при своем выходе на поверхность, при «прочерчивании» поверхности перемещающимся концом дислокационной линии, а также при зарождении и генерации подйоверхностных источников дислока­ ций. Прим. ред.

ния [159] или на микротрещинах [111, 112], как это предпола­ гается в теории водородной хрупкости сталей (раздел 7).

5. Объемная диффузия с последующими реакциями, вызыва­ ющими образование «вторичных твердых и хрупких фаз, напри­ мер образование пластинок гидридов «в а-титане [160] и а-цирко- нии [161]. У а-титана повышение содержания водорода приводит к снижению и прочности и пластичности; особенно сильно падает ударная вязкость образцов с надрезом. При содержании водо­

на 6%, ударная вязкость падает при этом примерно на 60% (Рыльский [см. 20]).

Из перечисленных эффектов наибольшее внимание металло­ ведов привлекает водородная хрупкость стали; механизм этого явления, однако, еще неясен.

Водородная хрупкость сталей

Водород часто проникает в сталь при травлении и нанесении электропокрытий. Наиболее важным и опасным последствием этого является замедленное разрушение, или статическая уста­ лость, при которой детали разрушаются после продолжительного воздействия сравнительно небольшого растягивающего напряже­ ния. Продолжительность скрытого периода разрушения зависит от содержания водорода, но мало чувствительна к уровню напря­ жений.

Особенности водородной хрупкости сталей описаны Коттериллом [20] * и состоят в следующем:

1.Хрупкость не наблюдается в чистом железе [158].

2.Водород не оказывает заметного влияния на упругие свой­ ства, но может подавить проявление порога текучести, характер­ ное для малоуглеродистых сталей.

3.Разрушающее напряжение снижается пропорционально

концентрации водорода.

4. Уменьшение относительного удлинения и сужения образцов также пропорционально содержанию водорода до — 0,025% (ат.); при более «высоких концентрациях водорода пластичность низка и практически постоянна.

5.Степень понижения прочности и пластичности уменьшается

сповышением скорости деформации; эффект не наблюдается при

ударных нагрузках.

6. Хрупкость наблюдается в ограниченном интервале темпе­ ратур: 150—370° К; наибольший эффектюбнаруживается при тем­ пературах несколько ниже комнатной.