Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

зарождения и роста трещин, возникающих в результате пласти­ ческой деформации (рис. 148), весьма велико. Сложная последова­ тельность изменения состояния и структуры металла под действием внешних сил, которая включает зарождение трещин, их рост и раз­ рушение, предопределяется процессами пластической деформации под нагрузкой. Это принципиальное положение физики прочности, сформулированное впервые А. В. Степановым [462], является основой правильного понимания процессов разрушения.

Степень пластической деформации, предшествующая разруше­ нию, колеблется в чрезвычайно широких пределах: от едва фикси­ руемых ее признаков в квазихрупких состояниях до тысяч процен­ тов в сверхпластических состояниях металлов и сплавов. Этим объясняется обилие дислокационных и дислокационно-вакансион- ных механизмов зарождения и роста трещин.

На рис. 148 показаны механизмы зарождения микротрещин, основанные на взаимодействии дислокаций (вакансионные механиз­ мы не рассматриваются, так как они играют существенную роль лишь при высоких температурах): слияние дислокаций по Эшелби, Франку, Набарро [464, 465]; заторможенный сдвиг по Мотту и Стро [382, 466] (см. также рис. 134); вскрытие полосы скольжения по В. Н. Рожанскому и Гилману [467, 468]; зарождение трещины около малоподвижных дислокаций а (100), возникающих на пересекаю­ щихся плоскостях скольжения в металлах с ОЦК решеткой по Коттреллу [469, 470]; зарождение микротрещин на пересечении полос скольжения [471, 472]; сдвиг субграниц по Стро и Гилману [473, 474]; зарождение микротрещин при пересечении двойников [321, 475]; образование микротрещин на поверхностях раздела [456, 476— 479], в том числе на поверхности раздела фаз у включений. Более детальное описание этих механизмов можно найти в обзорах и мо­ нографиях В. М. Финкеля [457, 463], Б. И. Смирнова и В. Д. Ярошевича [480], В. С. Ивановой [481, 482], В. И. Трефилова [330, 355], Екобори [456] и др.

Макмагон и Коэн [483], тщательно изучив возможные механиз­

ных условиях механизмом зарождения микротрещин является меха­ низм раскрытия их в карбидных частицах под влиянием поля напря­ жений нагромождений дислокаций в феррите. В дисперсионно-упроч- ненных системах типа сплавов железо — углерод зарождение тре­ щины во второй фазе может произойти либо на поверхности раздела феррит — карбид, либо внутри карбидной частицы. В первом случае решающую роль играют силы связи на межфазной границе, во вто­ ром — прочность (в конечном итоге, модуль упругости и структура) самой частицы. Если размер частицы достаточно большой, чтобы ее прочность значительно отличалась от теоретической, и температу­ ра деформации системы — ниже порога хладноломкости материала частицы, то образование трещины хрупкого скола в частице происхо­ дит сравнительно легко. Так как трещина зарождается в очень

хрупком материале, то она быстро прорастает всю частицу (при этом эффективная поверхностная энергия трещины равна поверхностной энергии упов частицы) и может выйти в матрицу. Такой пе­ реход сопряжен с увеличением эффективной поверхностной энергии пл

от упов У вещества частицы до у п о в у матрицы, поскольку движение трещины внутри матрицы уже будет сопровождаться локальной пла­ стической деформацией, но при дальнейшем повышении внешних напряжений может быть достигнуто значение о*, рассчитанное по формуле (108), и произойдет разрушение. Размеры частиц могут быть столь большими, что С > С* еще в пределах частицы. При наличии таких частиц сразу произойдет хрупкое разрушение мате­ риала. Форма и размеры частиц имеют очень важное значение. В дисперсных сферических частицах может произойти только зарож­ дение трещины скола, а в больших плоских частицах трещина сра­ зу может достигнуть критической по Гриффитсу длины. Большое расстояние между частицами способствует зарождению трещин в частицах при меньших значениях внешнего напряжения, так как и в этом случае важна не абсолютная величина действующих в пло­ скости скольжения напряжений, а фактор о УL (см. стр. 203). По­ этому наиболее опасны пластинчатые выделения хрупких частиц на границах зерен при свободном от частиц теле зерна: L оказыва­ ется максимальным, трещина зарождается при малых а, размер ее (ограниченный размером частицы на стадии роста трещины) может быть больше критического и произойдет хрупкое интеркристаллитное разрушение всего образца.

Рассмотрим кратко условия квазихрупкого разрушения в метал­

ти скольжения (сопротивление движению дислокаций не учтено). Изменение числа сорванных за время dx дислокаций dn = —dN про-

8 Движение дислокаций, необходимое для небольшого количества дислока­ ционных нагромождений, происходит при небольших напряжениях, меньших предела упругости. Так, в работе [484] наблюдалась микропластическая дефор­ мация в железе при напряжениях, составляющих 1/10 предела текучести, а в ра­ ботах [485, 486] зафиксировано движение дислокаций на фольге чистого ниобия при напряжениях, существенно меньших предела пропорциональности.

должна зависеть от модуля. Определенная корреляция между из­ менением упругих характеристик и изменением температуры хлад­

ные 7 .

При движении трещины в кристалле или поликристаллическом материале может происходить частичная релаксация «сгустка» на­ пряжений у ее вершины вследствие пластической деформации. Еще Инглис (см. обзор [461]) показал, что для трещин эллиптической формы коэффициент концентрации напряжений около вершины

трещины составляет 1 + 2 | / ^- , где С — длина трещины, г0 —

радиус кривизны ее конца 8 . У вершины трещины, длина которой составляет, например, 2 мк, а радиус кривизны на конце — 1 А,

7 Выражение для Тх в виде (111) не позволяет в явном виде выделить атермическую компоненту, но в других известных формах уравнения Стро это воз­ можно.

8 Более точные решения получены советскими учеными (см. обзор [496]).