Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 245
Скачиваний: 0
напряжение в 200 раз превышает напряжение от внешней нагруз ки. Поэтому все источники дислокаций по пути движения трещины нагружаются этой волной напряжений и могут инициировать микро пластическую деформацию вдоль трассы трещины. Холл [4971 пока зал, что если некоторый источник Р находится на расстоянии г от траектории трещины, распространяющейся со скоростью vc, и мо жет инициировать пластическую деформацию со скоростью е, то
(114)
где ve — скорость движения упругой волны в материале. При остановившейся трещине Ус = 0 и г -> ю , т. е. пластическая волна распространяется на весь образец; если vc = ve, то г = 0 и пласти ческая деформация совсем не наступает. По мере возрастания vq глубина г зоны, затронутой пластической деформацией, уменьша ется.
Тетельмен [498] на основании анализа экспериментальных дан ных о скорости дислокаций в сплаве Fe + 3% Si сделал вывод, что основной вклад в пластическую деформацию при движении трещи ны вносится дислокациями, генерируемыми имевшимися в материа ле источниками. Поэтому плотностью активных источников дисло каций в значительной мере определяются степень и эффективность «пластического» торможения трещины. В результате пластической деформации радиус вершины трещины притупляется, г0 >• 10* Ъ [499], концентрация напряжений снижается и трещина останавли
вается. Эффективная |
поверхностная |
энергия упоВ трещины |
увели |
|
чивается, упов да упов |
и она |
может |
возобновить движение |
толь |
ко при резком и значительном |
повышении приложенного напряже |
ния (если ее длина в момент остановки была меньше гриффитсовской). Увеличение радиуса кривизны остановленных трещин наблюда лось экспериментально в различных материалах, в том числе в ме таллах (рис. 151). В связи с этим некоторые исследователи [501], 1502] считают, что определяющей стадией разрушения является не зарождение, а рост трещин. Рассмотрим, как в этом случае можно определить температуру хрупкого перехода.
Мотт [503] показал, что скорость движения трещины vc можно найти, если учесть, что освобождаемая при движении трещины уп ругая энергия UE должна уравновесить затраты не только на по верхностную энергию Us, но и на кинетическую энергию UK тре щины, причем
(115)
(vc и о , — те же, что и в уравнении (114), В — константа). Кине тическая энергия трещины по этому определению ассоциируется с
той пластической деформации в области трещины, можно привести
(116) к |
виду |
vc = B ( I |
__^Л1£_\'и |
|
|
|
|
|||
откуда |
|
|
|
\ |
VCUE |
I |
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
W(T) |
|
|
|
|
(117) |
||
|
|
W (Т) |
|
|
|
в* |
|
|
|
|
Функция |
обращается в нуль |
при крайних |
|
возможных зна |
||||||
чениях |
vc, |
т. е. при vc = |
0 и vc = |
В |
Из условия ^ |
= |
О сле |
|||
Ш |
|
|
|
дует, что максимальное |
|
значение |
W (Т) |
|||
|
|
|
достигается |
при v*c = |
|
-JL |
(рис. 152) и |
|||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Уз |
|
|
|
|
|
|
|
W* (Т*) = -Щ= • ~ |
|
= |
Аа2С, |
(118) |
||
|
|
|
|
|
|
ЗУ з |
с |
|
|
|
В
где Л = я (1 —v) щт~ • Полученный ре зультат означает, что если приложено нормальное напряжение а и длина тре щины С, то выше некоторой температуры
Т*, соответствующей величине W* по (118), рассматриваемая задача не имеет решения, т. е. трещина не может распространиться квазихрупким
способом. Поэтому температура Т* может быть отождествлена с тем пературой перехода пластичное разрушение — хрупкое разрушение, если лимитирующим процессом является рост трещин, а не их за рождение. Как следует из (118), температура Т* тем больше, чем вы ше приложенное напряжение а или чем больше длина трещины С.
Для более точного определения Т* следует расшифровать вид функции W (Т) при конкретных условиях пластической деформа ции вокруг движущейся вершины трещины, что пока не удалось осуществить. Если в поликристаллическом металле лимитирующим является процесс перехода трещины через границу зерна, то в урав нении (118) С да d (где d — размер зерна) и, так же как для зарож дения трещины, для разрушающего напряжения получаем зависи мость
где К |
W* |
(Т*) |
. Ниже температуры Т* каждому значению тем |
||||
пературы соответствуют две скорости трещины: vx |
и v2, причем v2 |
> |
|||||
>• vv Стро |
[508] показал, что в действительности должна реализо |
||||||
ваться большая |
скорость трещины — v2. |
Скорость трещины в этом |
|||||
случае, как |
следует |
из рис. 152, при достижении температуры |
Т* |
||||
|
S |
I - T |
» . |
|
В |
|
|
с о с т а в л я е т ^ . |
При скорости меньшей vc |
= |
Уз |
квазихрупкая тре- |
|||
Уз |
|
|
|
|
|
щина распространяться не может.
Изложенные представления согласуются с хорошо известным экспериментальным фактом появления и остановки микротрещин в той области, в которой металл еще обладает пластичностью [509]. Из уравнения (118) следует, что при постоянной температуре Т, близкой к температуре перехода, существует критическое значение трещины С*, выше которого она может развиваться квазихрупким способом. Действительно, Вессель [510] при растяжении образцов вблизи температуры хладноломкости наблюдал переход пластичных трещин в хрупкие по мере достижения ими определенной длины.
Таким образом, альтернативой как |
зарождения трещины, так |
|
и ее распространения является |
процесс |
пластической деформации |
в зоне с высокой концентрацией |
напряжений (перед растущей тре |
щиной или перед заблокированным дислокационным нагроможде нием). Учитывая, что переходные металлы с ОЦК решеткой характе ризуются очень резкой температурной зависимостью предела теку: чести и, следовательно, резким торможением процессса пластической деформации при снижении температуры, можно полагать, что тем пературы перехода пластичность — хрупкость, рассчитанные для процесса зарождения трещины и ее движения, отличаются не суще ственно. Вместе с тем очевидно, что металл может обладать высокой технологической пластичностью только при температуре выше Г х , определяемой из условия зарождения трещины, а также выше тем пературы Т*, определяемой из условия развития трещины. Действи тельно, образование отдельных микротрещин ниже температуры Тх (но выше Т*) должно облегчить распространение в металле маги стральной трещины, тогда как ниже температуры Т* (но выше Гх ) любые неоднородности в структуре металла и локальные концентра ции напряжений (например, включения второй фазы, ступеньки на поверхности образцов, следы механической обработки) могут при вести к развитию хрупкой трещины в процессе нагружения.
Интересное предложение о возможном способе остановки движе ния хрупких трещин выдвинули Гордон и Кук [461]. Они показали, что проекция напряжений, вызывающих движение хрупкой трещи ны Гриффитса, на направление ее движения а х имеет максимум на нескольких атомных расстояниях перед трещиной. Этот максимум «размазан» в направлении движения, и высокие напряжения со храняются на значительном расстоянии от трещины. Проекция на пряжений на нормаль к плоскости распространения трещины оу имеет максимум непосредственно у ее вершины. Оказалось, что не зависимо от формы трещины и способа ее нагружения отношение максимальной величины напряжения, параллельного трещине, к максимальной величине напряжения, перпендикулярного ее по
верхности, |
|
есть |
величина постоянная |
и равная примерно |
V5 |
, |
т. е. |
|
m a x |
аи |
5 |
1 |
„ |
|
при |
||
max |
" л; |
|
. Допустим, что трещина |
в процессе движения |
ближается к некоторой поверхности (к границе раздела фаз, ослаб ленному месту в структуре), ориентированной перпендикулярно на правлению ее движения. Вначале к поверхности раздела подходит
зона растягивающих напряжений, действующих вдоль плоскости движения. Эти напряжения будут стремиться разорвать тело по ослабленной поверхности. Если прочность тела по этой поверхности не превышает 7 5 общей прочности сцепления материала, то на такой ослабленной поверхности возникает новая трещина еще до подхо да основной трещины. Новая трещина скруглит и остановит основ
ную 1 0 |
(рис. 153). Если же прочность материала вдоль |
ослабленной |
||||||||||||
поверхности превышает |
V |
5 |
общей средней прочности |
материала, то |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
новая трещина-ловушка не |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
возникнет, основная трещи |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
на просто пересечет ослаб |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ленную поверхность и мате |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
риал |
будет разрушен. |
По |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
добного рода |
предотвраще |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ние |
хрупкого |
разрушения |
||||
Рис. 153. Механизм торможения трещины по |
при |
помощи |
создания |
ос |
||||||||||
лабленных |
|
слоев |
Гордон |
|||||||||||
Куку — Гордону [461]: |
|
|
|
|
|
|||||||||
а— |
п р и б л и ж е н и е трещины / к слабой п оверхности |
наблюдал |
в армированных |
|||||||||||
2,6 |
— о б р а з о в а н и е трещины 3 |
на |
слабой |
п о в е р х |
материалах, |
|
а |
Орован— |
||||||
ности, в — остановка трещины |
вследствие |
с к р у г |
в слоистой слюде. Примени |
|||||||||||
лен ия ее |
острия . |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тельно к |
дисперсионно-уп- |
|||||
рочненным |
материалам |
|
(особенно с |
пластинчатыми |
|
выделениями |
||||||||
второй |
фазы,например |
перлит |
в сталях) эта идея |
открывает |
за |
|||||||||
манчивые |
перспективы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Несколько замечаний о вязком разрушении. Стро [382] |
показал, |
что истинное значение разрушающего напряжения aBjH (истинный
предел прочности) связано с длиной плоскости скольжения |
L урав |
||
нением |
, |
|
|
в |
2 |
, |
(119) |
о-,и = °"о + KL~ |
|
|
которое неоднократно проверялось экспериментально. Согласно
Стро, |
К = |
^бяупов |xjV« |
и |
эти |
величины |
при |
хрупком |
(когда |
|
Тпов = |
Упов) |
и вязком |
(когда у п о в |
= |
упов) |
разрушениях оказыва |
|||
ются |
очень |
близкими (см., |
например, |
обзоры [355, 382]), |
чего не |
||||
должно было бы быть, так |
как различие между |
у"ов и у п о в |
состав |
ляет несколько порядков. В работе [511] предложено следующее объяснение. При электронномикроскопическом исследовании срезов на разных расстояниях от шейки разорванного образца армко-же- леза установлено, что трещина разрушения проходит по границам ячеистой дислокационной структуры, формирующейся в шейке при растяжении образца. Возникает хорошо известный рисунок фасе ток на поверхности магистральных трещин вязкого разрушения. Размер фасеток совпадает с размером ячеек дислокационной суб
структуры. Обычно считалось, что такие |
фасетки на |
поверхности |
1 0 Радиус скругления R основной трещины резко возрастет, |
концентрация |
|
напряжений у вершины резко снизится и трещина |
остановится. |
|
разрушения являются результатом образования пор и их слияния [470, 512]. Действительно, слияние пор наблюдалось, например, в меди [470], но при этом появились и плоские трещины в области сильной деформации [513]. В деформированном железе из пор выхо дят тонкие остроконечные трещины [309], а количество пор оказы вается очень небольшим. Поэтому тонкую структуру поверхности излома нельзя объяснить одним только слиянием пор. Распростра нение трещины в области шейки приводит к тому, что большин ство дислокаций вблизи трещины сливается с ней, высвобождая не которую часть упругой энергии. Особенно хорошо этот процесс про анализирован А. Н. Орловым [514], предложенная им интерпрета ция была положена [511] в основу объяснения постоянства К в уравнении (119).
Эффективная энергия свободной поверхности трещины у^в мо жет быть записана в виде [499, 515]
Упов = Упов + |
Yc.c + Удеф — YBH — Ya.n, |
(120) |
||
где упов — поверхностная |
энергия |
раздела |
металл — вакуум, |
|
Yc.c — энергия образования |
ступенек |
скола, |
у д е ф — энергия де |
|
формации металла вблизи вершины трещины, у в н |
— энергия, |
осво |
бождающаяся при релаксации полей внутренних напряжений,
пересекаемых трещиной, уа .п |
— энергия адсорбции примесей. Вели |
||||
чина Yc.c, которая расходуется при |
образовании ступенек «речно |
||||
го узора» на поверхности трещины, |
не превышает |
103 |
эрг/см2 |
[499, |
|
515], удеф изменяется, как |
отмечалось выше, в |
широких |
преде |
||
лах — от 10* до 107 эрг/см2 |
[515]. Однако уд е ф может |
компенсиро |
ваться упругой энергией, которая высвобождается при движении
трещины |
вдоль границ |
ячеек |
или вдоль полосы скольжения, где |
|||
плотность дислокаций |
очень велика и величина у в н может быть со |
|||||
поставима с удефДействительно, |
энергия |
1 см линии |
дислокации |
|||
С/д ж 2 • Ю - 4 эрг/см [499]. Если |
принять [372], что линейная плот |
|||||
ность дислокаций в |
полосе |
скольжения |
составляет |
примерно |
||
10" см~\ |
то |
|
|
|
|
|
|
Y B H » 2 |
• Ю - 4 • |
1011 = 2 • 10' |
эрг /см2, |
|
что достаточно для полной компенсации величины уд е ф. Поэтому и
при хрупком (упов = Упов) и при вязком (уп о в = Упов) разрушениях величины упов в итоге оказываются сопоставимыми, величины К по (119) отличаются мало, а магистральная трещина движется преи мущественно через области высокой концентрации дислокаций (гра ницы ячеек, заторможенные полосы скольжения), если в материале перед разрушением образуются такие области. Если же в материале перед разрушением образуется субструктура дислокаций «леса», то различие между величинами К при хрупком и вязком разрушени ях должно быть резким.
В заключение следует отметить, что если барьером, около кото рого зарождается трещина, является не граница зерна, а частица и »