Золотаревский В.С. Механические свойства металлов
Подождите немного. Документ загружается.
..
1
"1
•
. I
• •
f.
•
f I
•
•
•
•
,
...
,
.'
....
• t
f.:
PI1C
.
65
.
Поры
и
образоваНllе
центральноii
трешины
в
шейке
растягиваемого
медного
образца
(Паттик)
рой
в
макромасштабе
располагается
нормально
внешнему
растя
гивающему
усилию
(см.
рис.
64, 6).
Следовательно,
образование
этой
uентральной
трещины
-
результат
разрушения
путем
мак
роотрыва
.
Дальнейший
ее
рост
происходит
за
счет
присоедине
ния
новых
пор
при
разрыве
перемычек
между
ними
и
основной
трещиной.
Для
того
чтобы
понять,
почему
разрушение
на
начальных
ста
диях
локализуется
в
uентральной
части
шейки,
необходимо
про
анализировать
распределение
напряжений
по
сечению
шейки.
Как
видно
из
рис.
66,
вблизи иентра
образuа
все
напряжения
макси
мальны.
Особенно
велико
здесь
продольное
растягивающее
на
пряжение
SI'
в
то
время
как
касательные
напряжения
распреде
лены
более
равномерно.
В
результате
трещины
возникают
и
раз
виваются
в
средней
части
сечения
шейки,
и
здесь
же
происходит
разрушение
путем
отрыва
с
образованием
uентральной
трещи
ны.
По
достижении
uентральной
трещиной
периферийных
слоев
шейки
все
напряжения
локализуются
в
этих
неразрушенных
пе
риферийных
участках.
Скорость
распространения
трещины
резко
возрастает,
меняется
и
направление
ее
развития
.
Это
направле
ние
может
оказаться
различным
в
зависимости
от
структуры
и
свойств
материала
.
Если
дальнейший
рост
трещины
будет
идти
130
путем
локального
сдвига
в
плоскостях,
наклоненных
под
углом
-450
к
оси
растя
жения,
то
в
результате
появления
все
новых
полос
сдвига
при
развитии
цент
ральной
трещины
(см.
рис.
64,в)
образу
ется
излом
в
форме
«двойной
чашечки»
(см.
рис.
64,
г),
что
характерно
для
мно
гих
металлов,
например
алюминия,
при
температурах
от
комнатной
до
40
К.
Но
рост
трещины
путем
непрерывно
го
образования
новых
полос
сдвига
не
всегда
возможен.
Вместо
этого
в
техни
ческой
меди,
латуни
и
мягкой
стали
после
возникновения
центральной
трещины
и
начала
формирования
полос
сдвига
в
НОЛРRЖl'НUl'
t
--
РиССШОRнuе
t
ОСЬ
ПоВерх-
оорищо
ноешь
РIIС.
66.
Распределение
напряже
ний
по
сечению
шейки:
S,
-
продольное
напряжение;
S,. S,
-
поперечные
нормальные
на
пряжения
периферийной
зоне
шейки
внутри
этих
полос
зарождаются
но
вые
трещины.
В
дальнейшем деформация
сосредоточивается
в
ос
лабленных
несплошностями
полосах
сдвига
(см.
рис.
64,
д)
и
ко
нечное
разделение образца
на
две
части
происходит
путем
среза
вдоль
них,
образуется
излом
в
форме
чашечки
с
конусом
(см.
рис.
64,
е).
Если
составить
две
половины
образца
после
такого
разру
шения,
то
конус
и
чаше'lка
полностью
не
совпадут.
Отсюда
сле
дует,
что
конические
поверхности
не
просто
скользят
друг
отно
сительно
друга
под
действием
касательных
напряжений,
но
и
несколько
расходятся
под
действием
растягивающих.
На
всех
эта
пах
развитие
вязких
трещин
является
докритическим
и
сопро
вождается
сильной
пластической
деформацией,
которая
и
конт
ролирует
скорость
вязкого
разрущения.
Закритическое
развитие
трещины
при
вязком
разрушении
-
явление
относительно
ред
кое,
встречающееся
только
в
некоторых
высокопрочных
матери
aлax.
Поскольку
зарождение
трещин
при
вязком
разрушении
ме
таллических
материалов
чаще
всего
происходит
у
включений
из
быточных
фаз,
величина
пластической
деформации
перед
разру
шением
сильно
зависит
от
их
количества.
Из
рис.
67
видно,
как
чувствительно
относительное
сужение
меди
к
объемной
доле
ча
стиц
различных
избыточных
фаз.
Таким
образом,
уменьшение
числа
таких
частиц
-
один
из
эффективных
методов
задержки
вязкого
разрушения.
При
наличии
инородных
включений,
что
в
большинстве
случаев
неизбежно,
зарождение
трещин
можно
в
5·
131
значительной
мере подавить
наложением
всестороннего
(гидро
статического)
давления
на
растягиваемый
материал.
В
этом
слу
чае
эффект
достигается
за
счет
уменьшения
жесткости
схемы
напряженного
состояния.
Зародившиеся
у
включений
вязкие
трещины
при
обнаруже
нии
их
в
световом
микроскопе
имеют
сначала
довольно
равноос
ную
форму,
но
по
мере
продолжения
деформации
они
растут,
вытягиваясь
вдоль
оси
растяжения.
Следует
отметить,
что
в
очень
чистых
металлах,
где
практи
чески
отсутствуют
включения
избыточных
фаз,
а
также
в
метал
лических
материалах
технической
чистоты
еще
до
начала
форми
рования
шейки
может
идти
зарождение
трещин
в
результате
пла
стической
деформации
у
границ
зерен,
дислокационных
и
других
барьеров,
а
также
внутри
полос
скольжения.
По
данным
В.
и.
Бетехтина
и
Ф.
Шмидта,
в
при
поверхностных
слоях
деформиро
ванных
поликристаллических
образцов
из
чистых
алюминия
и
никеля
плотность
субмикротрещин
размером
(1
+З)
10-5
см
состав
ляет
1010-1012
см-
3
•
Многие
из
них
в
дальнейшем
залечиваются,
а
некоторые
растут.
Механизмы
докритического
подрастания
зародышевых
мик
ротрещин
могут
быть
различными
(рис.
68).
По
Оровану
(см.
рис.
68,
а)
рост
ранее
образовавшейся
трещины
инициируется
на
пряжениями
от
скользящих
неподалеку
дислокаций.
Модель
Пар
кера
(см.
рис.
68,
б)
предполагает
рост
трещины
в
результате
встре
чи
двух
полос
скольжения
вблизи
ее
поверхности.
Возможен
ме
ханизм
роста
(см.
рис.
68,
в)
каким-то
образом
зародившейся
тре
щины
в
результате
слияния
ее
с
трещиной,
образующейся
по
схеме
Коттрелла
(см.
рис.
54).
На
рис.
68,
г
показана
предложенная
А.
Н.
Орловым
схема
разрастания
зародышевых
трещин
в
резуль
тате
блокировки
полос
скольжения
каким-либо
барьером,
на
пример
границей
зерна.
Дислокационный
источник
S,
генериру
ющий
дислокации,
оказывается
запертым
обратным
полем
упру
гих
напряжений
от
дислокационного
скопления.
Если
в
районе
заблокированной
полосы
скольжения
имеется
микротрещина,
то
дислокации
из
скопления
будут
стекать
к
ней,
разблокируя
тем
самым
источник,
который
вновь
может
генерировать
дислокации.
Так,
скачками,
трещина
будет
постепенно
расти.
Важной
особенностью
вязкого
разрушения
является
образова
ние
и
рост
множества
микротрещин,
некоторые
из
которых
сли
ваются
друг
с
другом.
При
этом
в
металлах
проходит
существен-
132
m~~
________________________________
-.
1,5
1,0
...
"'х
t~~
х
0,5
I!.
+
о
I!.
...
...
0,7
а
а
+
Cu+fe+Mo
о
Cu
х
Cu+Cr
а
Cu+AL
'"
Cu
+Fe
v
Cu
+Мо
А
Cu
+A~
8Cu+SiO
l
"
х
О,г
о,]
f
РIIС.
1:07.
Зависимость
относительного
сужения
меди
от
объемной
доли
пустот
и
включений
f
(Эделсон,
Бодуин)
ная
пластическая
деформация
перемычек;
разрушаюшихся
при
слиянии
соседних
микротрещин.
Эта
деформация
может
быть
зна
чительно
больше,
чем
вдали
от
трещин.
Вязкое
разрушение
бывает,
как
правило,
внутризеренным
даже
если
трещина
зарождается
у
границы
зерна,
при
дальнейшем
росте
траектория
ее
движения
проходит
по
телу
кристаллита.
6
PIK·.
68.
Схемы
докритическоro
роста
микротрещин
133
Рассмотренные
особенности
вязкого
разрушения
отражаются
на
структуре
поверхности разрушения.
При
визуальном
осмотре
невооруженным
глазом
она
обычно
матовая,
неровная,
часто
со
следами
пластической
деформаuии
в
виде
грубых
полос
скольже
ния.
Тонкую
структуру
излома
выявляют
с
помощью
фрактогра-
PIlC.
69.
Микроструктура
11Оверхности
вязкого
I1ЗЛОМ~:
а
-
хромоникелевая
сталь,
реплика
(Хоникомб);
6-
алюминиеВblЙ
сплав,
скаНИРУЮЩI1Й
элеКТРОННblЙ
микроскоп
(н.
А.
Белов)
134
фического
анализа
-
исследования
структуры
поверхности
раз
рушения
в
световом
и
просвечивающем
(при
помощи
реплик)
или
сканирующем
электронном
микроскопах.
Фрактографичес
кий
анализ,
получивший
широкое
развитие
в
последние
годы,
дает
важную
информацию
о
механизме
разрушения.
На
рис.
69
показаны
типичные
примеры
микроструктуры
вязкого излома.
У
него
характерный
рельеф,
образуемый
совокупностью
отдельных
ямок.
Диаметр
их
колеблется
в
диапазоне
0,5-20
мкм.
Глубина
ямок,
характеризующая
размеры
области
интенсивной
пласти
ческой
деформации,
на
вязком
изломе
в
зоне
макроотрыва
мо
жет
быть
довольно
велика
(несколько
микрометров).
Ямки
на
по
верхности
вязкого
излома
являются
результатом
образования,
роста
и
слияния
множества
микропор
(трещин).
На
поверхности
разрушенных
перемычек,
а
также
на
дне
некоторых
пор
часто
видны
линии
скольжения,
образовавшиеся
при
пластической
де
формации
перед
разрушением.
На
дне
многих
ямок
выявляются
частицы
избыточных
фаз
(включения
сульфидов
на
рис.
69,
а),
что
как
раз
и
служит
доказательством
возникновения
большин
-
ства
зародьiшевых
трещин
у
этих
включений.
На
«стенках»
чашечного
излома
наблюдаются
сильно
вытяну
тые
ямки,
а
также
области,
не
имеющие
характерных
особенно
стей
структуры.
Эти
области
также
имеются
на
поверхности
раз
рушения
чистым
сдвигом.
Они
являются
результатом
разрушения
металла
вдоль
поверхности
локализованной
интенсивной
плас
тической
деформации
сколъжением.
Общего
количественного
критерия
вязкого
разрушения
не
су
ществует.
Для
ограниченного
интервала
условий
таким
критери
ем
может
служить
величина
либо
деформации,
либо
минималь
ного
нормального
или
касательного
напряжения,
достаточного
для
развития
вязкого
разрушения.
5.
Хрупкое
разрушение
с
практической
точки
зрения
хрупкое
разрушение
гораздо
важ
нее,
чем
вязкое.
Это
наиболее
опасный
вид
разрушения,
идущий
катастрофически
быстро
и
под
действием
сравнительно
низких
напряжений.
Поэтому
сведения
о
механизме
хрупкого
разруше
ния
и
условиях,
которые
ему
способствуют
или
его
затрудняют,
особенно
важны.
135
Как
уже
отмечал
ось,
металлы
и
сплавы
идеально
хрупко
(без
предшествующей
пластической
деформаций)
не
разрушаются.
Хрупкая
трещина
так
же,
как
и
вязкая,
возникает
по
современ
ным
воззрениям
в
результате
пластической
деформации.
Разви
тие
ее
происходит
в
основном
на
закритической
стадии
в
отли
чие
от
вязкой
трещины,
развитие
которой
идет
стабильно.
Хрупкая
трещина
при
внутризеренном
(транскристаллитном)
разрушении
(трещина
скола)
обычно
распространяется
вдоль
кристаллографической
плоскости
с
малыми
индексами.
Напри
мер,
в
металлах
с
г.
п.
решеткой
-
по
плоскости
базиса,
в
о.
ц.
к.
решетке
-
вдоль
{001},
иногда,
например
в
ванадии
и
тантале,
вдоль
{011}.
В
металлах
с
г.
ц.
к.
решеткой
образование
трещин
ско
ла,
как
правило,
не
наблюдается.
В
отличие
от
вязкого,
хрупкое
разрушение
может
быть
не
только
внутри-,
но
И
межзеренным.
Последнее
наблюдается
особенно
часто
в
сплавах,
где
по границам
зерен
располагаются
прослойки
второй
фазы,
а
также
в
технических
металлах
и
сплавах,
в
кото
рых
развита
равновесная
зернограничная
сегрегация
примесеЙ.
Сегрегация
примесных
атомов
на
границах
зерен
снижает
их
по
верхностную
энергию,
облегчая
тем
самым
развитие
трещины
вдоль
поверхности
границ.
При
межзеренном
(интеркристаллитном)
разрушении
трещи
на
в
однофазных
материалах
распространяется
по
поверхности
границ
зерен,
а
при
наличии
на
границах
второй
фазы
-
вдоль
межфазной
поверхности
или
вдоль
поверхности
скола
внутри
включений.
В
зависимости
от
характера
распространения
трещи
ны
структура
поверхности
разрушения
получается
различной.
Структура
поверхности
скола
при
узкой
пластической
зоне
у
вер
шины
развивающейся
хрупкой
трещины
резко
отличается
от
вяз
кого
излома.
При
простом
осмотре
хрупкиtr
излом
обычно
блес
тящий
или
имеет
цвет
фаз,
расположенных
по
границам
зерен.
Под
микроскопом
видно,
что
внутрикристаллитный
скол
не
иде
ально
гладок.
На
поверхности
его
обычно
имеются
ступеньки,
придающие
структуре
вид
ручьистых
узоров
(рис.
70,
а).
В
поли
кристаллических
образцах
вид
этих
узоров
при
переходе
от
зерна
к
зерну
меняется.
Каждая
линия
речного
узора
соответствует
раз
нице
в
уровнях,
т.
е.
ступеньке
на
поверхности
излома.
Появление
ступенек
в
некоторых
случаях
связано
с
тем,
что
разрушение
идет
путем
распространения
одновременно
несколь
ких
параллельных
трещин,
которые
соединяются
друг
с
другом
136
P~k'.
70,
м
и
КрОСТрУКl)'ра
юло~юп:
1I -
ХРУПКIIЙ
скол;
б
-
межзеренный
ХРУПКl1l1
скол;
(]
-
межзеренное
рi.1Зрушение
\дВухф
....
зIiОI"О
сплаDа;
.!
-
КВilJI1СКОЛ;
д
-
разрушение
110
I
'
РaJIIIIЩМ
',ерен;
п
,
6,
(1
--
н.
А.
Белов;
г,
д
--
М
,
н
.
Георгиев
вследствие
разрыва
тонких
перемычек.
Но
во
многих
случаях
хруп
кое
разрушение
происходит
путем
распространения
одной
тре
щины
(этим
оно
тоже
ОТЛИ'lается
от
вязкого
разрушения,
при
котором
развивается
множество
трещин)
,
В
этом
случае
причиной
137
образования
уступов
может
быть,
например,
пересечение
тре
щиной
винтовых
дислокаций,
которые
располагаются
на
пути
распространения
фронта
трещины.
Если
она
развивается
вдоль
кристалла
(рис.
71,
а)
и
встречает
на
своем
пути
две
винтовые
дислокации,
то
после
разделения
кристалла
на
две
половины
поверхность
каждой
из
них
будет
содержать
две
ступеньки
(рис.
71,6),
что
легко
представить
себе,
вспомнив
атомную
схему
вин
товой
дислокации.
В
процессе
развития
трещины
такие
ступеньки
могут укруп
няться.
В
результате
пересечения
множества
дислокаций
и
слия
ния
элементарных
ступенек
высотой
Ь
возникают
ступеньки,
высота
которых
достаточна
для
их
выявления
при
микроскопи
ческом
анализе
(см.
рис.
70,
а).
Другой
возможный
механизм
возникновения
ступенек
на
по
верхности
скола
-
появление
зародышевой
микротрещины
в
од
ной
плоскости
и
ее
постепенный
переход
в
другую
плоскость
скола
с
образованием
ряда
уступов.
Краевые
дислокации
не
могут
быть
причиной
образования
сту
пенек:
на
малоугловых
наклонных
границах
хрупкая
трещина
толь
ко
меняет
направление.
Рельеф
межзеренноro
скола
в
однофазном
металле
или
сплаве
соответствует
форме
межкристаллитной
границы.
Обычно
он
от
носительно
гладкий,
а
неровности
имеют
микроскопические
раз
меры
и не
образуют
каких-либо
характерных
рельефных
особен
ностей
(см.
рис.
70,6).
При
наличии
на границах
зерен
выделений
избыточной
фазы
они
легко
выявляются
в
структуре
излома
(см.
рис.
70,
в).
По
этой
структуре
можно
более
точно,
чем при
метал
лографическом
анализе
поверхности
шлифа,
оценить
истинную
Рис.
71.
Кристалл
с
винтовыми
дислокациями
(а)
и
образование
ступенек
на
поверхности
его
хрупкого
излома
после
разрушения
(6)
138
форму,
размеры
и
долю
межзеренной
поверхности,
занимаемой
частицами
второй
фазы.
На
шлифе
частицы
могут
быть
тонкими
и
прерывистыми,
так
как
выявляются
их
произвольные
сечения,
а
фрактографический
анализ
может
показать,
что
поверхность
их
сильно
развита
и
они
занимают
значительную
часть
площади
из
лома.
Естественно,
такие
частицы
будут
резко
облегчать
хрупкое
межкристаллитное
разрушение.
По
микроструктуре
излома
мож
но
установить,
идет
ли разрушение
вдоль
границы
между
матри
цей
и
избыточной
фазой
(тогда
выделения
будут
видны
только
на
одной
поверхности
излома,
а
на
второй
мы
увидим
их
<<Оттис
ки»)
или
распространяется
по
телу
хрупких
включений.
В
общем
случае
поверхность
скола
состоит
из
совокупности
внутри-
И
межкристаллитных
фасеток.
Фасетки,
образующиеся
при
раскалывании
элементов
внутризеренной
структуры
(целого
зерна,
субзерна,
колонии
эвтектики
или
эвтектоида
и
т.
п.),
пред
ставляют
собой
сечение
соответствующего
элемента
структуры
по
плоскости
скола.
Межкристаллитная
фасетка
-
это
поверх
ность
разрушения
одного
зерна.
На
рис.
70,
б
виден
стык
трех
таких
фасеток,
которые
обычно
имеют
форму
многогранников.
На
рис.
69
и
70,
а-в
показаны
простейшие,
самые
характер
ные
виды
структур
вязкого
и
хрупкого
излома.
Однако
при
фрак
тографическом
анализе
встречается
множество
других,
промежу
точных
разновидностей
структуры
изломов,
и
их
идентификация
уже
более
сложна
и
не
так
однозначна.
Например,
при
докрити
ческом
развитии
хрупкой
трещины
с
относительно
широкой
пла
стической
зоной
формируется
структура
«квазихрупкого»
излома
с
плоскими
неглубокими
ямками
(см.
рис.
70,
г),
похожими
на
те,
которые
наблюдаются
на
стенках
вязкого
чашечного
излома.
Иног
да
трещина
внутризеренного
скола
проходит
по
границам
эле
ментов
внутризеренной
структуры,
например
по
границам
субзе
рен.
В
этом
случае образуется
своеобразный рельеф
излома
с
так
называемыми
субинтеркристаллитными
фасетками
(см.
рис.
70,
д).
Часто
на
поверхности
излома
одного
образца
можно
увидеть
уча
стки
с
совершенно
разной
структурой,
в
том
числе
типичной
для
хрупкого
и
вязкого
разрушения.
Это
отражает
известный
факт
перехода
от
первоначально
вязкого
(докритического)
характера
развития
трещины
к
хрупкому
(закритическому)
по
достижении
ею
критической
длины.
Для
правильной
трактовки
сложных
по
структуре
изломов
це
лесообразно
привлекать
другие
методы
их
оценки,
помимо
ме-
139