1.1 Разрушение сколом

Термин «вязкость» служит для обозначения способности материала испытывать пластические деформации и поглощать энергию до и во время разрушения. Термины «хрупкий» и «пластический» используются для различения типов разрушений или материалов, характеризуемых слабой или сильной вязкостью. Разрушение сколом — наиболее хрупкая форма разрушения, которое может произойти в кристаллических материалах. Хрупкие разрушения в кораблях, мостах, наливных танках привели к тому, что разрушение сколом стало наиболее распространенным типом разрушений. При низких температурах и больших степенях деформирования вероятность наступления хрупкого разрушения увеличивается, как это проиллюстрировано на известной диаграмме вязкохрупкого перехода в стали (рис. 6). Ниже уровня перехода для разрушения требуется лишь небольшая энергия, при этом сталь ведет себя как хрупкий материал.

Рис. 6. Вязкохрупкий переход в стали

Разрушение сколом происходит благодаря простому разрыву атомных связей при непосредственном отделении кристаллографических плоскостей. Его главной отличительной особенностью является то, что он связан с определенной кристаллографической плоскостью. Железо, например, разрушается сколом вдоль кубических плоскостей (100) своей элементарной ячейки. При этом поверхность разрушения в пределах одного кристаллического зерна сравнительно плоская, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Распространение трещины через кристаллические зерна

при хрупком разрушении

Поскольку соседние кристаллические зерна имеют различную ориентацию, хрупкое разрушение на границе кристаллического зерна меняет свое направление и продолжает распространяться в наиболее выгодной поверхности скола. Плоские грани скола внутри кристалла имеют высокую отражательную способность, что делает поверхность хрупкого разрушения блестящей, как видно из рис. 8.

Рассматривая грани скола в оптический или электронный микроскоп, можно заметить, что эта поверхность имеет небольшие неровности. В пределах одного кристаллического зерна трещина может распространяться одновременно по двум параллельным кристаллографическим плоскостям (рис. 9, а). Две параллельные трещины соединяются по линии, перекрывая друг друга, либо за счет вторичного скола, либо за счет сдвига с образованием ступеньки. Ступеньки скола могут также зародиться внутри кристалла при прохождении трещины через винтовую дислокацию, как показано на рис. 9, б.

Рис. 8. Хрупкое (а) и вязкое (б) разрушения в низкопрочной стали,

вызванные трещиной при циклическом нагружении (область А).

Обратите внимание на различия зон пластических деформаций

Обычно ступенька скола параллельна направлению распространения трещины и перпендикулярна плоскости трещины, поскольку при этом минимальна энергия ее образования из-за того, что минимальна дополнительная свободная поверхность. Несколько ступенек скола могут объединиться и образовать составную ступеньку; могут объединиться также ступеньки противоположных знаков, что приведет к их исчезновению. Слияние ступенек скола приводит к образованию речных узоров, которые получили свое название из-за сходства с рекой, имеющей притоки. Речные узоры часто образуются при проникновении трещины через границу кристаллического зерна, как показано на рис. 9, в. Трещина скола распространяется вдоль определенной кристаллографической плоскости: когда трещина проходит через границу кристаллического зерна, ей приходится проникать в кристаллическое зерно с другой ориентацией. Если граница кристаллического зерна витая (рис. 9, в), то трещина может вновь зародиться в уже совершенно по-иному ориентированной плоскости скола. Это может произойти в нескольких местах и привести к образованию трещины в новом кристалле.

Рис. 9. Образование ступенек скола:

а — соединение параллельных трещин за счет вторичного скола (А) или сдвига (В); б — образование ступенек скола при прохождении трещины через винтовую дислокацию; в — образование речного узора после прохождения трещины через границу кристаллического зерна; 1 —плоскость трещины; 2 — винтовая дислокация; 3 — ступенька скола; 4 — направление распространения трещины; 5 — витая граница; 6 — речной узор.

При этом может образоваться несколько ступенек скола, объединение которых приведет к образованию речного узора. Притоки речного узора всегда соединяются в «нижнем течении», что дает возможность определить по микрофотографии направление распространения локальной трещины. Ступеньки скола и речные узоры видны на электронной микрофотографии, представленной на рис. 10. В этих местах возможны небольшие зоны пластических деформаций. Для образования пластических деформаций необходима энергия, поэтому речные узоры и ступеньки скола наиболее часто наблюдаются при температурах, близких к температуре вязкохрупкого перехода.

Отличительной чертой разрушения сколом являются также языки скола, получившие название из-за своей формы. На рис. 11 изображены языки скола различных размеров. Полагают, что они образуются при местном разрушении вдоль поверхности раздела двойниковой кристаллической решетки (двойниковые кристаллы образуются в результате больших деформаций, возникающих перед развивающейся трещиной). Существует мнение, что в железе языки образуются тогда, когда трещина скола, развиваясь вдоль плоскости (100), пересекает поверхность раздела двойникового кристалла (112) и распространяется по ней на некоторое расстояние, в то время как в двойниковом кристалле продолжается скол вдоль плоскости (100). Окончательное отделение происходит при разрушении двойникового кристалла.

Рис. 10. Ступеньки скола и речные узоры,

образованные в мягкой стали на границах кристаллических зерен

Подтверждение процесса образования языков можно получить из стереографических измерений. Оказывается, возможны различные виды взаимодействий с двойниковыми кристаллами. Проиллюстрируем одну из таких возможностей. На рис. 12 изображено сечение кристаллической решетки bcc двойникового кристалла вдоль кристаллической плоскости . Соединительной плоскостью двойникового кристалла в этой решетке является плоскость . Эта плоскость перпендикулярна плоскости , т. е. перпендикулярна плоскости рисунка и пересекает плоскость вдоль направления [111]. Предполагается, что трещина распространяется вдоль (001) [110] от A к B, где натыкается на двойниковый кристалл. После этого ее распространение продолжается вдоль поверхности раздела двойниковой кристаллической решетки (112) [111] от B к С. Одновременно основная трещина может обойти двойниковый кристалл (вне плоскости рисунка) и продолжить распространение вдоль ОЕ; в результате двойниковый кристалл разрушится вдоль CD. Это приводит к образованию языка скола BCD. При этом подразумевается, что плоский угол языка скола должен иметь определенный размер (в данном случае 35°16'), что было подтверждено стереографическими измерениями.

Рис. 11. Языки скола (указаны стрелками)

Рис. 12. Образование языка скола BCD при прохождении трещины через двойниковый кристалл

На рис. 13 приведено изображение другой характерной для скола особенности — шевронной структуры. Этот рисунок представляет собой фрактографию поверхности скола мягкой стали — с низким содержанием углерода. Полагают, что прямая полоса между стрелками A в центре шевронной структуры (т. е. ее ствол) является плоскостью скола (100), а ветви по обе стороны от нее являются пересечениями поверхности (1000) с двойниковыми кристаллами. Наличие на ветвях языков Е подтверждает эту точку зрения. При нормальных условиях в кристаллических структурах с гранецентрической кубической решеткой скол не происходит: в этих материалах, прежде чем напряжение достигнет величины напряжения скола, всегда образуются значительные пластические деформации. Скол образуется в кубических объемно-центрированных структурах (bcc) и в гексагональных структурах с плотной упаковкой (hcp). Сколу, в частности, подвержены железо и малоуглеродистая сталь (bcc). Вольфрам, молибден, хром (все bcc), а также цинк, бериллий и магний (все hcp) — материалы, способные разрушаться сколом.

Рис. 13. Шевронная структура (отмечена стрелками A);

речной узор B; большие ступени D; языки E.

Маленькие стрелки указывают местное направление распространения трещины