книги / Разрушение твердых тел

FRACTURE

OF SOLIDS

Proceedings

of an International Conference

sponsored by the

Institute of Metals Division,

American Institute of Mining,

Metallurgical, and Petroleum Engineers

MAPLE VALLEY, WASHINGTON, AUGUST 21 -24, 1962

Edited by D. C. DRUCKER

and J. J. GILMAN

Brown University

INTERSCIENCE PUBLISHERS

a division of John Wiley & Sons, New York • London

РА З Р У Ш Е Н И Е

ТВ Е Р ДЫХ ТЕЛ

Перевод с английского

3.Г. ФРИДМАНА

ГИЗДАТЕЛЬСТВО «МЕТАЛЛУРГИЯ»

Мо с к в а 19 6 7

А. МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. ОБЩИЙ ОБЗОР

ДЖ ОН Р. ЛОУ

МИКРОСТРУКТУРНАЯ КАРТИНА РАЗРУШЕНИЯ

В этой общей вводной статье дается обзор основных результа­ тов микроскопических исследований зарождения и развития раз­ рушения в металлах. Типы разрушения разделены на четыре категории, каждая из которых рассматривается раздельно:

1.Низкотемпературное хрупкое разрушение.

2.Разрушение в результате усталости.

3.Разрушение при ползучести.

4.Вязкое разрушение.

Во всех случаях обсуждение ограничивается качественным описанием микроскопических особенностей процессов образова­ ния зародышей разрушения и увеличения их размеров, вплоть до полного разрушения.

Важнейший вывод, вытекающий из рассмотрения всех указан­ ных типов разрушения, состоит в том, что зарождение разруше­ ния во всех случаях связано с пластической деформацией, кото­ рая при этом неоднородна в микроскопическом масштабе.

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

Большинство металлов, за исключением кубических гране­ центрированных, обладает определенной хрупкостью, зависящей от температуры, как это показано на рис. 1 для мягкой стали. Данных о температурной области перехода от вязкого разруше­ ния к хрупкому нет, так как внезапного изменения других физи­ ческих свойств металла в этой переходной области не наблю­ дается, и, более того, критическая температура хрупкости может резко сместиться при изменении скорости деформирования, при наличии надреза у испытуемого образца или при изменениях состава или структуры данного материала. Имеются определен­ ные доказательства существования связи низкотемпературной хрупкости с влиянием температуры на сопротивление пластиче­ ской деформации. Вообще говоря, для тех металлов, которым

1 John R. Low jr.

7

свойственна низкотемпературная хрупкость, характерно резкое увеличение предела текучести в переходной области температур; подобные изменения свойств показаны на рис. 1 для мягкой ста­ ли. Однако гранецентрированным кубическим металлам такое поведение не свойственно. До настоящего времени это различие во влиянии температуры на сопротивление пластической дефор­ мации приписывалось, по крайней мере для объемноцентрированных кубических металлов, блокированию дислокаций примеся­ ми, в частности ^-элементами, образующими твердые растворы

лишь исследованиями, необ­ ходимыми для лучшего понимания микроскопического механиз­ ма зарождения низкотемпературного хрупкого разрушения, а также — факторов, определяющих развитие хрупкого разруше­ ния. В большинстве случаев низкотемпературное хрупкое раз­ рушение является внутрикристаллическим, т. е. определяется сколом (отрывом по плоскостям спайности) отдельных кристал­ лов в агрегате. Однако можно выделить и такой класс хрупкого разрушения, когда оно происходит по границам зерен. Разруше­ ние этого вида будет рассмотрено особо.

Зарождение низкотемпературного хрупкого разрушения

Строго говоря, низкотемпературное хрупкое разрушение ме­ талла следует отнести к полухрупкому разрушению, так как имеются неопровержимые доказательства того, что разрушению всегда предшествует пластическая деформация, неизбежная да­

же при самом быстром развитии трещин. Эти доказательства даже в случае самого хрупкого разрушения, весьма разнообраз­ ны. Так, Лоу [3] дал косвенные подтверждения описанной выше последовательности разрушения. Исследование серий образцов

8

с зерном различной величины показало, что при их разрушении в условиях растяжения при 78° К на диаграмме деформации нет признаков пластической деформации. Однако напряжение тече­ ния при сжатии совпадает с сопротивлением разрушению при растяжении. Такое совпадение дает основание с большой сте­ пенью достоверности утверждать, что критическим условием за­ рождения разрушения является пластическая деформация.

Доказательства того, что пластическая деформация предшест­ вует хрупкому разрушению при температурах значительно ниже температуры макроскопического перехода от пластичности к хрупкости, были получены для ряда поликристаллических метал­ лов многими исследователями, использовавшими особо чувст­ вительные методы измерения [4—6].

Общее предположение о том, что зарождению трещин всегда предшествует некоторая пластическая деформация, подверглось критике со стороны Аллена [7], который указал на значительное число случаев хрупкого разрушения металлов, которые не могут быть объяснены, исходя из приведенного выше предположения. Если разрушение всегда начинается со скольжения или двойникования, то из этого следует, что при хрупком разрушении, когда предполагается одновременность течения и разрушения, сопро­ тивление разрушению и предел текучести должны изменяться по­ добным образом в зависимости от температуры, величины зер­ на, состава сплава и структуры. Такой идентичный характер изменения предела текучести и сопротивления хрупкому разру­ шению был подтвержден Лоу [3] и Оуэном. В то же время Аллен приводит ряд примеров, когда для легированного железа сопро­ тивление хрупкому разрушению снижается при таких условиях, которые должны вызывать повышение сопротивления течению. Чтобы объяснить эти данные, Аллен [7] предположил возмож­ ность существования большого числа дефектов структуры, таких как ряды дислокаций, которые вызывают весьма высокие нор­ мальные напряжения и в результате приводят к зарождению трещин; не исключено также, что примеси столь сильно снижа­ ют поверхностную энергию границ зерен, что рост трещин оказы­ вается возможным при весьма низких напряжениях.

Зарождение трещин в монокристалле. Имеется сравнительно мало прямых наблюдений процесса зарождения трещин в метал­ лах, поскольку использованные экспериментальные методы ис­ следования разрушения относились к случаю полного разруше­ ния монокристаллов (при исследовании монокристаллов) или отдельных зерен в поликристалле. В таких условиях обнаружить зарождение разрушения и связать его с определенным процессом деформации чрезвычайно трудно. Халл [9] и Хонда [10], использо­ вавшие монокристаллы кремнистого железа, а также и Хорнбоген п и , изучавший сплав железа с фосфором, впервые сумели проследить за процессом зарождения трещин и связать его с ме-

9