Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

них точечных рефлексах матрицы изображение субмикротрещины может иметь большую длину, чем на светлопольном изображении. Это под­ тверждается результатами измерения длины субмикротрещины по темно­

польным изображениям (см.табл. 1).

Получив темнопольное изображение в кольцевых дифракционных

отражениях, можно разграничить области, дающие те или иные кольца. На рис. 5 представлены темнопольные электронно-микроскопические фотографии вершины микротрещины и области, примыкающей к ней, снятые в дифракционных кольцевых отражениях внутреннего, среднего

и внешнего кольца. На темнопольных изображениях, сформированных таким образом, светлой будет часть образца, дающая конкретный дифрак­ ционный рефлекс, а сама микротрещина и другие части окажутся темны­

ми и серыми.

Как видно на рис. 5, а, дифракционное внутреннее размытое кольцо определяется вкладом небольшой области у места, откуда начала прорас­ тать микротрещина. Среднее, более резкое кольцо формируется мелкими кристаллитами (размером < 0,015 мкм), располагающимися в вершине микротрещины, затянутой тонкой пленкой. Внешнее кольцо формируется областью, непосредственно примыкающей к берегам микротрещины. Гра­ ницы этой области удалены от микротрещины на расстояние до 1мкм.Тон­ кая пленка непосредственно в вершине микротрещины также дает светлое поле и,следовательно, формирует внешнее кольцо.

К сожалению, ввиду ограниченности минимального размера диафрагмы объектива электронного микроскопа и малой яркости дифракционных колец на электронограмме не удалось более четко разделить темнопольные

изображения от каждого кольца отдельно. Поэтому не исключено, что при наклоне осветительной системы для получения темнопольного изображения в поле зрения диафрагмы линзы объектива попадало не одно кольцо или диафрагма захватывала часть рефлекса от матрицы.

Тем не менее можно сдостаточной уверенностью сказать,что диффузные кольцевые рефлексы на электронограмме соответствуют областям материа­ ла, расположенным непосредственно у вершины микротрещины (на рас­ стоянияхдо 1мкм).

Следует отметить, что зоны утонения, в которых зарождаются СМТ, для разных материалов имеют существенно различные размеры. Так, в

циркониевых и алюминиевых сплавах некоторых марок сталей ширина зоны утонения составляет 5-10% от ее длины в направлении роста трещины. Внержавеющей стали 0Х16Н15МЗБ соотношение между шири­ ной и длиной утоненной зоны перед микротрещиной близко к 1:100.

На рис. 6 представлена электронограмма, полученная с участка сталь­ ного образца вблизи вершины микротрещины, на которой присутствует размытый рефлекс. Это может быть объяснено только образованием в вер­ шине микротрещины аморфных участков.

На рис. 7 представлена рассчитанная электронограмма. Направление стрелки соответствует кристаллографическому направлению (002).

После увеличения общей деформации микротрещина изменила направле­ ние распространения на 45° (рис. 8). Произошло это следующим образом. При дополнительном увеличении деформации образовалась новая утонен­ ная зона, расположенная под углом 45° к направлению движения перво-

50

50° к поверхности образца (т.е. угол САВ = 180-г50°). Первоначальная толщина CD составляла 0,105 мкм,апослеутоненияАВcos 50° -АВ cos50° она составила 7,5 • 103 мкм.Поверхность излома АВОО довольно ровная, без тяжей, что свидетельствует о хрупком разрушении на стадии дорыва образца. По изменению толщины образца можно определить локаль­ ную деформацию, которая предшествовала этому разрушению

((CD - AScos50°)/CD)100%=93%.

Отметим, что,используя измерения,проведенные на стереопарах,можно определить угол сдвига краев микротрещины. Он составляет 23°.

Сравнивая микрофотографии распространяющейся микротрещины, мож­ но отметить закономерность: микротрещина всегда распространяется по утоненному узкому каналу. Искажения структуры в областях материала, прилегающих к каналу, практически отсутствуют. Этапу образования в локальных зонах СМТ предшествует этап перехода материала в указан­ ных зонах в аморфное состояние. Аналогичные результаты были получены на образцах из ряда других материалов [3-5]. Полученные результаты могут служить экспериментальной основой для разработки теоретических представлений.

Обсуждение результатов экспериментов. Согласно современным пред­ ставлениям об аморфных материалах, их микрообъемы представляют со­ бой суперпозициюближнего порядка и дальнего беспорядка в расположе­ нии атомов [7].Механизм перехода кристаллической структуры в аморф­ нуюбыл предложен автором работы [8]. Переход из кристаллического состояния в аморфное может.осуществляться по работе [8] не только при плавлении, когда аморфная фаза является жидкостью, но и в том случае, когда аморфной фазой будет твердое тело.

Согласно [8], объем аморфного или расплавленного материала на 3% больше его объема в твердом состоянии. Это означает, что межатомные расстояния кристаллической решетки к моменту перехода в аморфное состояние увеличатся ~на 1%.Таким образом, плавление или переход в

аморфное состояние можно рассматривать как процесс значительного уве­ личения свободного объема материала.Этот свободныйобъем можеть быть распределен равномерно между всеми атомами или же существовать в виде отдельных вакансий при неизменной величине межатомных расстояний. Если увеличение свободного объема происходит только за счет вакансий, то ихобъемная доля будет составлять 3%.

Сказанное по сути означает, что фазовый переход кристалл—аморфное состояние может происходить в принципе при любой температуре, если удастся каким-либо образом обеспечить необходимое увеличение свобод­

ного внутреннего объема, при котором кристаллическая решетка становит­ ся неустойчивой.

Вработах [9,10] указывается,чтооднимизэффективных:способов воз­ действия на свойства кристаллического материала является диспергирова­ ние его структуры. Это может вызвать очень глубокие изменения в строе­ нии кристалла. При больших деформациях кристаллиты разбиваются на фрагменты и блоки размером до 10 нм и меньше, разориентированные относительно друг друга на углы порядка 30-35°. На границах этих блоков возникают искажения решетки настолько большие, что состояние материа­ ла становится близким каморфному.Области,где сохраняется дальний по-

54

рядок, по своим размерам становятся соизмеримы с областями,в которых сохраняется лишь ближний порядок. Сами блочки упруго искажены и со­ держат внутри большое количество дефектов решетки. Плотность дисло­ каций может достигать 101о-1012 см~2. При размерах блочков порядка 100 А дифракционная картина принимает такой вид, что по своим характе­ ристикам соответствует в большей степени аморфному, чем кристалличе­ скому материалу. Все эти изменения приводят к увеличениюпараметра ре­ шетки и свободной энергии кристалла. Когда величина свободной энергии поликристаллического материала будет равна свободной энергии аморфной структуры, может произойти переход из кристаллического состояния в аморфное,так как кристаллическая решетка становится неустойчивой.

Повышение плотности вакансий до уровня, соответствующего переходу в аморфное состояние, может быть достигнуто не только деформацией. Так, в работе- [11] указывается на формирование аморфной структуры в кристаллах Ga, As при повышении плотности вакансий за счет облучения кристаллов Se+ионами с энергией 450 кэВ дозой 1014 см-2. Свободная энергия твердого тела может увеличиваться не только за счет увеличения объемной, а и поверхностной энергии границ между разориентированными относительно друг друга элементами структуры и накопления дефектов как в виде вакансий, так и атомов внедрения, дислокаций, дисклинаций. Когда энергия системы достигает величины свободной энергии аморфного состояния,появляется возможность фазового перехода кристалл—аморф­ ная структура.

Критическая величина свободной энергии достигается обычно не одно­ временно во всем объеме материала. Поэтому и образование аморфной структуры начинается в отдельных локальных участках материала, где в данный момент достигнута необходимая дисперсность структуры и плот­ ность дефектов. Дальнейший процесс аморфиэации может происходить как за счет роста старых аморфных участков, так и путем образования

новых.

Вцелом в работах [9, 10] по результатам экспериментальных исследо­ ваний сделан вывод о том, что в области предельно высоких степеней деформации (> 95%) происходит процесс аморфиэации структуры крис­ таллов, приводящий в конечном счете к образованию аморфной фазы. Это согласуется с результатами, изложенными в данной работе и в рабо­ тах [1,2]. Разница лишь в том,что аморфизация в рассматриваемом в дан­ ной статье случае обеспечивается большими деформациями,возникающими за счет концентрации напряжений у вершины трещины.

Таким образом, можно считать установленным,что моменту зарождения СМТ перед вершиной микротрещины предшествует период освобождения этой*области от дислокаций и аморфизация материала в ней. Это явление, наблюдаемое впервые в работах [3-5], не укладывается в рамки тради­ ционно сложившихся представлений о механизмах разрушения материалов, в частности о дислокационных механизмах образования СМТ. Последнее приводит к необходимости дополнения существующих физических пред­ ставлений о механизмах зарождения СМТ в кристаллических телах.

Основой для теоретического описания зарождения СМТ может стать предложенный в работе [12] подход к описаниюпластической деформации, базирующийся на представлении о диссипативных структурах в неравно-

55

весных системах. Диссипативная структура рассматривается как смесь кристаллической и квазикристаллической фаз. В зависимости от внешних условий и структуры металла подвод определенной энергии в систему приводит ксамоорганизации диссипативных структур, сопровождающейся снижением термодинамического потенциала.Сэнергетической точки зрения это означает, что термодинамический потенциал системы атомов Ф, зави­ сящий от функции распределения атомов по координатам Ф(л), имеет локальные минимумы (п —координаты атомов).

Накопление дислокаций в пластической зоне перед вершиной трещины соответствует стадии увеличения термодинамического потенциала. Процесс ухода дислокаций из локальной зоны перед вершиной трещины отвечает стадии самоорганизации диссипативных структур и снижению термодина­ мического потенциала за счет диссипации энергии в окружающие области [13, 14]. Полное освобождение локальной зоны от дислокаций означает достижение максимальной разупорядоченности в этой зоне и соответствует локальному минимуму на кривой Ф(л). Состояние максимальной разупо­ рядоченности есть не что иное,как аморфное состояние.

Область, в несколько раз превышающую рассмотренную локальную зону перед вершиной трещины, будем называть макрообластью. Термический потенциал будет складываться из термодинамических потенциалов не­ сколькихлокальных областей,подвод энергии в каждую изкоторых проис­ ходит с разной интенсивностьюв силу структурной гетерогенности материа­ ла и неоднородности полей напряжений и деформаций.Поэтому термодина­ мический потенциал макрообласти будет иметь несколько локальных ми­

нимумов. Достижение каждого из локальных минимумов будет означать изменение в соотношении доли кристаллической и аморфной фаз.

Образование зародышевых СМТ происходиттолько в зоне максимально­ го искажения структуры (в аморфной зоне). Если плотность запасенной внутренней энергии перед фронтом СМТ достаточно велика, то в процессе роста СМТ диссипация энергии из областей, уже перешедших в аморфное состояние,в зоны, граничащие с этими областями, приводит кувеличению размеров аморфной зоны.

ЛИТЕРАТУРА

1.Бетехтин В.И., Владимиров В.И., Кадомцев А.Г.,Петров А.И.Пластическая де­ формация и разрушение кристаллических тел. Сообщ.1, 2 // Пробл. прочности. 1979. №7.С.38-45; №8.С.51-57.

2.Ohr S.M.,OtangS.I. Dislocation free zone modeloffracture comparison with experi­ ments//J.Appl.Phys.1982.VoL53,N8.P.5645-5651.

3.Доровский BM, ЕлесинЛА„ Тутов AA. Экспериментальное иследование из­ менения химического состава увершинытрещиныв стали XI8Н10Т //ВАНТ.Атомное материаловедение.1981.Вып.3 (И).С.37-42.

4.Доровский В.М.,Елесин ДА., Тутов АА., Платное ПА. Исследование микро­ процессов разрушения при деформировании тонких пленок в колонне электронного микроскопа//Тамже.1983.Вып.1(17).С.27-30.

5.ДоровскийВ.М.,ЕлесинЛА.,Тутов А.А.Экспериментальнынаблюдения обра­ зования и роста субмикроскопических и микроскопических трещин в сплаве цирко­ нияс 1%ниобия ЦТамже.Вып.2(18).С.15-20.

6.ХиршИ,ХовиА„ МиколсонР.и др.Электронная микроскопия тонких кристал­ лов.М.:Мир.1968.574 с.

7.BernalI.D.Geometricalapproach to the structure ofliquids//Nature. 1959.VoL183. P.141-147.

56