ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 142
Скачиваний: 0
тельна и вязкость понижена. У металлов скорость движения дислокаций v достаточно велика даже при малых напряже ниях. Однако плотность подвижных дислокаций может резкоснижаться в условиях сильного упрочнения. В этом отношении сильное упрочнение в результате базисного скольжения при понижении температуры или увеличении содержания примесей в бериллии, сопровождаемое уменьшением плотности подвиж ных дислокаций, ведет к снижению скорости деформации и охрупчиванию. Легкому распространению базисной трещины в этих условиях способствует также отсутствие плоскостей сколь жения, наклоненных к плоскости (0001) и способных редакти ровать напряжения у вершины трещины.
Многие наблюдения подтверждают идею о том, что рост трещины, по крайней мере при небольших скоростях ее движе
ния, определяется сопротивлением |
пластической |
деформации |
|
у ее вершины (т. е. величиной уЭ ф). Например, |
для базисного |
||
скольжения в Zn или Be уЭф увеличивается с температурой |
[26, |
||
32]. Экспериментально установлено, |
что при раскалывании |
кри |
|
сталла Zn по плоскости (0001) при 78° К трещина с самого на чала распространяется с большой скоростью и образуется глад кая ровная поверхность [87]. При 300° К трещина движется медленно и с остановками, а поверхность скола шероховатая. При высокой температуре интенсивное скольжение делает скол невозможным и хрупкое разрушение сменяется вязким.
Многие исследователи пытались связать пластические харак теристики непосредственно с упругими постоянными кристаллов. Так, Пью [86] предложил эмпирический критерий хрупкости, учитывающий два фактора: сопротивление пластической дефор мации и прочность при разрушении. Сопротивление пластиче ской деформации в первом приближении пропорционально вели
чине Gb. Действительно, величина Gb/Ii, |
где |
Н — твердость, |
|
практически не зависит от сорта металла, |
принадлежащего |
||
определенной группе. Например, у Cd, Zn и Be |
Gb/H ^0,32, |
а у |
|
Ті, M g , La, Co, ТІ, Zn, Ru, Os GbjHя^0,15. |
Напряжение до |
раз |
|
рушения оценочно считают пропорциональным модулю объем ного сжатия К. Согласно Пью, критерием хрупкости материала служит величина K/G. Чем она ниже, тем менее пластичен ма териал. В табл. 3.4 приведены характеристики упругости и рас считанный по ним коэффициент K/G. Видно, что наиболее хруп кие из металлов с г. п. у.-структурой (Be и Zn) действительно имеют минимальное K/G, и по мере увеличения пластичности этот коэффициент растет.
Критерии хрупкости, основанные на упругих свойствах ма териалов, имеют один общий недостаток—они не объясняют температурную зависимость пластичности. Действительно, ха рактеристики упругости относительно слабо зависят от темпе ратуры, и, следовательно, критерии хрупкости с ростом темпе ратуры существенно не меняются. Между тем хорошо известно.
10* 147
Характеристики упругости и критерий Л'/G [86]
М е т а л л G, кГ/мм* К, кГ/м.и- KIG М е т а л л G, кґ/мм- К , кГ/ . « . «« KIG
Be |
15000 |
10600 |
0,70 |
Re |
21000 |
37000 |
1,76 |
M g |
1770 |
3390 |
1,91 |
Ru |
176(0 |
29000 |
1,65 |
La |
1500 |
2840 |
1,90 |
Os |
22800 |
38000 |
1,67 |
Ті |
3870 |
12500 |
3,23 |
Z n |
3790 |
6000 |
1,59 |
Z r |
3540 |
9100 |
2,58 |
Cd |
2460 |
5000 |
2,03 |
Hf |
3100 |
11100 |
3,58 |
T l |
280 |
2900 |
10,3 |
Co |
7630 |
18500 |
2,43 |
|
|
|
|
что многие металлы, хрупкие при низких температурах, обла дают значительной вязкостью при высоких. В равной мере это относится и к взаимосвязи между вязкостью и чистотой мате
риалов. В частности, |
Пью |
[86], основываясь па том |
факте, что |
|
упругие постоянные |
слабо |
зависят от содержания |
примесей, |
|
сделал вывод, что хрупкость — природное |
свойство |
бериллия. |
||
Здесь нецелесообразно останавливаться |
на других |
критериях |
||
хрупкости, так как все они в большей или меньшей степени но сят эмпирический характер. Отметим лишь, что при анализе
природы хрупкости почти |
все критерии позволяют |
заключить, |
что бериллий относится к |
разряду весьма хрупких |
материалов. |
К аналогичному выводу приводит также и физический анализ этой проблемы, учитывающий характер сил связи в кристал лической решетке (см. п. 3.9.4).
3.9.2. Связь деформации моно- и поликристаллов. В предыду щих разделах проанализированы элементарные процессы пла стической деформации и разрушения монокристаллов. Эти ре зультаты в известной мере проливают свет на поведение поли кристаллических материалов, однако в целом пластическая де формация и разрушение поликристаллов представляют собой значительно более сложное явление, существенно зависящее от процессов, происходящих у границ зерен. С одной стороны, в области температур T>0,4TS при деформации поликристаллов возникает скольжение по границам зерен, заметно влияющее на пластичность. С другой стороны, разрушение поликристаллов может быть связано с развитием трещин по границам зерен. Да же если исключить эти специфические особенности деформации, анализ взаимосвязи процессов деформации моно- и поликри сталлов металлов с кубической структурой наталкивается на значительные трудности [88]. У металлов с г. п. у.-структурой эта проблема существенно усложняется из-за анизотропии скольжения и изменения механизма деформации с изменением размера зерен. Например, у Ті вклад двойникования увеличи вается с ростом размера зерен, что приводит к более высокой
пластичности крупнозернистого металла по сравнению с мелко зернистым [89] . У Zn с уменьшением размера зерен возрастает вклад пирамидального скольжения.
Почти у всех чистых металлов с г. п. у.-структурой моно кристаллы с благоприятными для деформации ориентациямк обладают заметной пластичностью. Поликристаллические образ цы тех же материалов во многих случаях оказываются малопластичными. Различие пластичт-юсти при деформации обычно связывают с двумя причинами: наличием у поликристалличе ских объектов дополнительных концентраторов напряжений и от сутствием необходимого числа независимых систем скольжения.
Дополнительные концентраторы напряжений возникают при пересечении полос скольжения или двойников с границами зе рен. В зависимости от величины таких концентраторов и скоро сти их образования они приводят либо к зарождению трещины, либо к преодолению барьера (границы) и распространению де формации от одного зерна к другому. В зависимости от мате риала или его структурного состояния (величины зерна, плот ности дислокаций и т. п.) деформация до разрушения может изменяться в очень широких пределах. Вторая причина разли чия пластичности моно- и поликристаллов связана с геометри ческой совместимостью деформаций в соседних зернах.
Майзис [90] и затем Тейлор [91] показали, что однородная деформация поликристаллического агрегата возможна при на личии пяти независимых систем скольжения. Действительно, из шести компонент тензора деформаций лишь пять являются не зависимыми, так как компоненты тензора подчиняются условию сохранения постоянства объема. В дальнейшем представления Майзиса получили развитие в работах [92—96], в которых предложены методы определения независимости реально дей ствующих систем скольжения, проанализирована пластическая деформация моно- и поликристаллов с различными структурами и сделана попытка теоретического расчета кривых деформации поликристаллов по результатам изучения монокристаллов.
Анализ пластической деформации металлов с г. п. у.-структу-
рой [90, 92, 94] показывает, |
что из трех возможных |
систем ба |
зисного скольжения {0001} |
< 1 1 2 0 > независимыми |
являются |
только две, которые можно выбрать тремя разными путями. Это же относится к призматическому скольжению в системе {10І0} < 1 1 2 0 > . Однако из-за наличия поперечного скольжения винто вых дислокаций из плоскости базиса в плоскость призмы в од ном направлении эти две системы не всегда можно считать не зависимыми [92] .
Из шести возможных систем скольжения {1011} <112~0> четыре независимы и могут быть выбраны девятью разными путями. Изменение формы, обеспечиваемое этим видом сколь-' жения, такое же, как и при одновременном и независимом дей-
ствіш |
двух |
семейств |
плоскостей {0001} |
< 1 1 2 0 > |
и |
{1010} |
||
< 1 1 2 0 |
> . Ни |
в том, ни в другом |
случае деформация |
вдоль гек |
||||
сагональной оси невозможна. |
|
|
|
|
||||
Лишь |
скольжение |
в шести |
плоскостях системы |
{1122} |
||||
< 1 1 2 3 |
> |
обеспечивает |
пять независимых |
компонент |
деформа |
|||
ции, необходимых для однородного формоизменения поликри сталлов. В соответствии с этим многие исследователи считают, что хладноломкость бериллия связана с-отсутствием у него пи рамидального скольжения [76, 97, 98]. Хотя эта точка зрения небезосновательна, имеются другие факторы, которые, по на шему мнению, оказываются не менее существенными. Прежде чем переходить к их анализу, укажем некоторые ограничения, которые следует иметь в виду при использовании критерия Майзиса.
Наличие у кристаллов необходимого для пластической де формации числа независимых систем скольжения может ока заться недостаточным, если критические напряжения сдвига или коэффициенты упрочнения отличаются по порядку величины. В этом случае в отдельных зернах напряжения могут превысить разрушающее в данной системе скольжение до того, как станет возможным передача деформации через границу за счет трудноактивируемой системы. Например, в сплавах Be—Си, Be — Ni возможно пирамидальное скольжение в системе {1122} < 1 1 2 3 > (см. п. 1.4), однако из-за высоких критических напряжений оно вряд ли реализуется [при неблагоприятных ориентациях проис ходит разрушение, например, по плоскостям (0001) еще до того, как будет достигнуто критическое напряжение сдвига Т ( П 2 2 ) 1 -
Цинк хотя н обладает пирамидальным скольжением, однако относится к числу хрупких материалов из-за низких разруша ющих напряжений по плоскости базиса. Таким образом, совме стимость пластической деформации в соседних зернах следует рассматривать как необходимое, но не достаточное условие пла стичности. При анализе хрупкости следует учитывать не только число независимых систем скольжения, но и их равноценность, а также чувствительность материала к концентраторам напря жений и легкость разрушения по плоскостям спайности.
Совместимость пластической деформации в соседних зернах может быть обеспечена не только за счет пяти независимых си стем скольжения, но и в результате компенсирования некото рых из них двойникованием. Простой анализ пластической де формации металлов показывает, что формальное невыполнение критерия Майзиса часто не влечет за собой охрупчивания поли кристаллических материалов. Несмотря на отсутствие пяти неза висимых систем скольжения, разрушение наступает после зна чительных деформаций, величина которых меняется от металла к металлу. Кокс и Уэстлейк [93] объясняют это противоречие наличием интенсивного двойникования.
J 50
