книги / Разрушение твердых тел

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ХРУПКОСТИ В МЕДНЫХ СПЛАВАХ ПРИ КОНТАКТЕ С РТУТЬЮ И АМАЛЬГАМАМИ

У меди и ее сплавов при нанесении ртутного покрытия обна­ руживается значительное понижение пластичности при разру­ шении по границам зерен. Испытания на растяжение при ком­ натной температуре сплавов Си — Аи, Си — Zn, Си — А1, Си — Ge, покрытых пленкой ртути, показывают, что степень пониже­ ния пластичности определяется не спецификой легирующих эле­ ментов, а их влиянием на предел текучести сплава. При смачи­ вании амальгамой цинка образцы сохраняют пластичность; этот эффект также не зависит от состава сплава. При объяснении наблюдаемых эффектов наряду с изменениями межфазной энер­ гии должны быть приняты во внимание также и другие факторы.

Характеристики разрушения сплавов меди зависят от задан­ ных предварительно напряжений и от размера зерна. Металло­ графическое исследование пути, по которому происходит разру­ шение, показывает, что этот путь определяется относительной ориентацией зерен. Это подтверждается построением стереогра­ фических проекций линий скольжения.

Полученные результаты показывают, что образование микро­ трещин возле границ зерен является более правильной моделью, чем проникновение жидкого металла по границам.

Понижение прочности и пластичности металлов, находящих­ ся под действием напряжений в контакте с жидкой металличе­ ской фазой, изучалось во многих исследованиях12. Сообщаемые

однако в этом отражается не столько противоречивость экспе­ риментальных данных, сколько сложность проблемы. Проявле­

университет), интересна как тщательное экспериментальное исследование не­ которых особенностей хрупкого разрушения медных сплавов по границам зе­ рен под действием ртути и жидких амальгам. При обсуждении полученных результатов авторы исходят из известных представлений об определяющей роли понижения свободной энергии на границе с расплавом (Ребиндер и сотр. [10]), однако допускают ряд непоследовательностей и противоречий, в частно­ сти при анализе зависимости прочностных характеристик и степени понижения поверхностной энергии медных сплавов от концентрации вводившихся в ртуть примесей.

Большую часть необходимых данных о литературных источниках, лишь очень кратко отраженных в этой работе, читатель найдет в предыдущей статье А. Вествуда; в дополнительной литературе к данной работе приведены отдельные ссылки по непосредственно затрагиваемым вопросам. Прим. ред.

400

чистый» цинк, германий зонной очистки и золото чистотой 99,999% (полученные, соответственно, из N. J. Zinc Со, RCA La­ boratories, Sigmund Cohn Со).

Плавку проводили в графитовых тиглях, применяемых для производства полупроводников, с ручным встряхиванием для лучшего перемешивания расплава. Слитки гомогенизировали по­ средством отжига в вакууме, подвергали химическому протрав­

та, при напряжении 3—4 в. При травлении напряжение снижа­ лось.

Нанесение ртути

Все образцы перед испытаниями подвергали электрополиров­ ке для удаления с поверхности продуктов окисления и т. п. Электрополированные образцы медных сплавов промывали в спирте и сразу же, еще влажными, погружали в сосуд со ртутью. Пятна на поверхности удаляли посредством погружения смочен­ ного ртутью образца в электрополировальный раствор. Нанесен­ ное покрытие было стабильным и сохранялось на образце в про­ цессе дальнейших испытаний.

Характеристики разрушения у образцов со ртутным покры­ тием оказались такими же, как и у образцов, полностью погру­ женных в ртуть в процессе испытания. В связи с большим удоб­ ством при проведении испытаний преимущество было отдано образцам с покрытием.

Было установлено также, что смачивание одних только ребер образца дает столь же сильный эффект понижения пластичности и прочности, как и полное смачивание. Использование этого ме­ тода смачивания позволило непосредственно наблюдать распро­ странение микротрещин в образцах (растяжение периодически прерывали, и образец фотографировали).

Для смачивания использовали ртуть тройной дистилляции, поставляемую фирмой Wood Ridge Chemical Согр.

Испытания на растяжение

Механические испытания на растяжение проводили на жест­ кой микромашине. Отклонение рычага-динамометра измеряли при помощи экстензометра; удлинение образца определяли путем вычитания отклонения динамометра из величины перемещения

402

у — поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхно­ сти трещины.

Если применить это уравнение к анализу данных рис. 3, то уменьшение коэффициента наклона К\ с возрастанием содержа-

Рис. 1. Влияние ртути на прочность чистой меди:

---------на воздухе; — — — — в ртути

Рис. 2. Влияние ртути на прочность сплава Си—-30% Zn:

ния цинка в сплаве можно рассматривать как результат сниже­ ния у. Таким путем можно рассчитать относительные значения у:

Если понижение поверхностной энергии связано, как это пер­ воначально предполагалось, с некоторой химической реакцией между ртутью и цинком, сконцентрированным по границам зе­ рен, то добавка цинка к ртути перед нанесением ее на образец

404

должна оказать влияние на проявление хрупкости1. В соответ­ ствии с этим предположением были испытаны образцы медных спдавов, смоченные раствором цинка в ртути. На рис. 3 приве­ дены некоторые результаты этих испытаний; можно видеть, что использование раствора цинка в ртути приводит к меньшему па­ дению прочности и пластичности. Однако это восстановление свойств связано не с повышением величины у, которая остается в Пределах точности опыта постоянной, а с возрастанием со/• До­ полнительные экспериментальные данные и более подробное об-

Рис. 3. Истинные напряжения а/ разрушения сплавов Си—Zn в ртути:

А — содержание цинка, У; Б - VCu-Zn^Cu (образцы смочены ртутью)

суждение полученных результатов приведены в следующем раз­ деле.

Характеристики разрушения сплавов Си — А1, Си — Аи и Си — Ge, смоченных ртутью, аналогичны характеристикам рас­

сводные данные об изменении у в зависимости от состава спла­ ва, из которых следует, что наибольшее влияние оказывают до­ бавки золота; склонность к проявлению хрупкости снижается в ряду легирующих элементов в следующем порядке: Au > Ge > > А1 > Zn.

Понижение у с увеличением содержания легирующего эле­ мента происходит быстро в области малых концентраций, но в значительной мере замедляется, начиная с 1,5—2%. По данным1

1 Такой подход совершенно не обоснован; известно что цинк и ртуть не образуют химических соединений. Прим. ред.

уравнения (2 ) и рис. 3, поверхностная энергия РазР У ^ И^ “ еДИ2’ находящейся в контакте со ртутью, равна примерно 300° ™ / л .

Этот результат следует сопоставить с приближенным значением1

Рис. 4. Изменения энергии разрушения меди в контакте оо ртутью при введении в медь различных добавок

М н /м 2( к Г / м м г)

Рис. 5. Зависимость между пределом текучести а у, разрушающим напряже­ нием а/ и размером зерна для сплавов Си—Zn (цифры у кривых обозна­ чают содержание цинка, %):

1 _ зависимость предела текучести о у от D ""'/г ; о — зависимость о у от ст j

поверхностной энергии меди в вакууме, которое согласно Удину [8] составляет 1800 мдж/м2; очевидно, последнее значение долж­ но быть выше, чем для поверхности раздела твердый металл — расплав. Полученное несоответствие, наряду с обнаруженным

406

влиянием цинка, растворенного в ртути, показывает, что в рас­ сматриваемых опытах параметр у зависит не только от поверх­ ностной энергии.

Обратимся вновь к системе Си — Zn: на рис. 5 показано обычное линейное соотношение между пределом текучести оу и Размером зерна D~-l‘

гДе Ооу и Кг— постоянные.

Концентрация растдоренного элемент,% (am.)

Рис. 6 . Влияние легирующих элементов на параметр решетки (по данным Пирсона) и пре­ дел текучести сплавов меди

По форме уравнение (3) сходно с уравнением (1 ), и оба они могут быть объединены общим линейным уравнением, связыва­ ющим о/ с оу:

Это уравнение также находит экспериментальное подтвержде­ ние (рис. 5). Таким образом, величины а/, ау и D"l/2 взаимосвя­ заны; вместе с тем опыт показывает, что а/ зависит от присут­ ствия ртути, а ау— не зависит.

По-видимому, предел текучести влияет на чувствительность медных сплавов к проявлению хрупкости под действием ртути столь же сильно, как и параметр у *. Это' заключение можно сде-

* Влияние исходных механических характеристик сплава на чувствитель­ ность к действию жидкого металла подробно описано в работах [16—18].

Прим. ред.