ДИСЛОКАЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОТРЕЩИН И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПД

Мы выяснили, что для начала разрушения в теле должны быть трещины микроскопических размеров (-1000—2000 А), или зародышевые трещины. Согласно современным представлениям последние могут образоваться по различным причинам:

  • 1) из-за термических флуктуаций, т.е. превышения растягивающими напряжениями ар в отдельных местах из-за случайного накопления большой кинетической энергии атомами, движущимися с противоположно направленными скоростями. Вероятность такого зарождения, будучи весьма ничтожной при обычных температурах, может резко увеличиваться при высоких температурах;
  • 2) в результате слияния микропор — газовых (например, водородных), усадочных;
  • 3) из-за наличия тонких слоев инородных включений;
  • 4) под действием внешних напряжений, т.е. в процессе деформаций,— «силовые» трещины.

Микротрещины, возникающие в области чисто упругих деформаций и устойчиво существующие в теле (хрупкие или гриффит- совские трещины), не могут возникать силовым путем, т.е. вследствие упругой деформации, так как для их образования напряжения уже должны превышать ар. Очевидно, они возникают в хрупких телах по механизмам 1—3, т.е. изначально существуют в теле.

При ПД микротрещины возникают в результате движения дислокаций. Все предложенные к настоящему времени механизмы, или модели, образования трещин при ПД имеют общую физическую сущность. Предварительная ПД в микрообъемах происходит благодаря подвижным дислокациям. Далее ПД тормозится из-за структурной неоднородности материала (границы зерен, субзерен (двойников, блоков мозаики), пересечения плоскостей скольжения, инородные включения, уже существующие трещины). Как следствие этого возникают локальные перенапряжения, достигающие в ослабленных областях теоретической прочности, что и вызывает появление «силовых» трещин. Рассмотрим некоторые из этих моделей.

Модель Зинера — Стро — Петча. Трещины образуются в результате концентрирования дислокаций, движущихся в одной плоскости скольжения и заторможенных у барьера, например у границы зерна (рис. 11.5). Скопление образуется в плоскости скольжения под действием сдвигающих напряжений, а трещина — в плоскости, проходящей через голову скопления, в которой действуют максимальные растягивающие напряжения. Трещина образуется тогда, когда рас- стягивающие напряжения, инициируемые сдвиговыми напряжениями т, достигают теоретической прочности на отрыв.

Рис. 11.5

Модель Екобори и Серована. Скопление дислокаций, приводящее к образованию трещины, образуется либо у ранее существующей трещины (рис. 11.6, а), либо около инородного включения (рис. 11.6, б).

Эти и другие модели имеют общие черты: наличие барьера, препятствующего движению дислокаций; взаимодействие дислокаций в отдельных плоскостях скольжения, т.е. локализация деформации сдвига; дискретность деформации.

Рис. 11.6

Число дислокаций п, необходимых для возникновения трещины,

Для металлов с ОЦК-решеткой п ~ 300 и не превышает 1000. Вообще для поликристаллического материала напряжение, вызывающее трещину, зависит от размера зерна, так как он определяет длину скопления дислокаций.

Модель Коттрела. Трещины в ОЦК-решетке возникают в результате столкновения двух скоплений дислокаций, движущихся в пересекающихся плоскостях скольжения (рис. 11.7). В результате образуется «сидячая» дислокация. Она служит препятствием для остальных дислокаций. При этом возникает высокая концентрация напряжений и образуются микротрещины.

Рис. 11.7

Трещины могут образовываться при пересечении двух полос скольжения (рис. 11.8, а) или двух двойниковых зон (рис. 11.8, б), поскольку при этом также возникает высокая концентрация напряжений.

Рис. 11.8

К другим безбарьерным механизмам образования трещин можно отнести взаимодействие различных дефектов решетки, например при разрыве стенки дислокаций, пересекающей малоугловую границу субзерна (рис. 11.8, в), при встрече нескольких скоплений дислокаций, движущихся в параллельных плоскостях скольжения (рис. 11.8, г).

По современным представлениям, процесс разрушения при ПД можно разделить на несколько стадий. На первой стадии ПД происходит за счет перемещения отдельных дислокаций или их небольших групп. Локальные напряжения не достигают больших значений, и зарождение микротрещин невозможно.

На второй стадии возникают коллективные дислокационные эффекты, которые приводят к неравномерной ПД и росту локальных напряжений. Образуются зародышевые микротрещины по механизмам, описанным выше. После слияния головных дислокаций скопления релаксация напряжений вызывает быстрое сваливание остальных дислокаций и роста трещины. Время такого взрывоподобного зарождения и рост трещины порядка 10_6—10-1 с. Для пластичных тел эта стадия начинается при деформациях порядка 1—5%, для квазихрупких тел — на порядок меньше.

Третья стадия характеризуется медленным вязким возрастанием трещины. Возможные механизмы роста представлены на рис. 11.9.

Механизм Орована (рис. 11.9, а) основан на росте существующей трещины, инициируемой приближающейся полосой скольжения. Критическое напряжение является функцией расстояния между полосой скольжения и трещиной /. При достаточно малом / локальное напряжение близко кори возникает скол. По модели Паркера (рис. 11.9, б) рост поверхностной трещины вызывает встреча двух пачек скольжения в окрестности этой трещины. Третий механизм основан на слиянии трещины, зарожденной по механизму Коттрела, с поверхностной трещиной (рис. 11.9, в).

Рис. 11.9

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >