2.1.2.1. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСЛОВИИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Рассмотрим температурную зависимость разрушающего напряжения в поликристаллах с ОЦК решеткой при одноосном растяжении образцов, схематически показанную на рис. 2.6, где также представлены зависимости предела текучести . В ряде случаев минимальное значение разрушающего

напряжения достигаемое при совпадает с величиной предела текучести при В других случаях (рис. 2.6, б) минимальное значение реализуется на фоне пластической деформации.

Рис. 2.6. Схема взаимодействия микротрещины с изменяющейся в процессе деформирования структурой а также температурные зависимости критического разрушающего напряжения предела текучести в случае совпадения (а) и несовпадения (б) минимального значения разрушающего напряжения

Расчетный анализ минимального значения разрушающего напряжения сгщт при условии его совпадения с пределом текучести (рис. 2.6, а) был проведен по известным дислокационным моделям хрупкого разрушения [4, 25, 170, 247], в которых значение определяли из одновременного выполнения двух или, по крайней мере, одного из следующих условий: зарождения, микротрещин и их страгивания. При определении сгшт только на основании выполнения одного из указанных условий принимали, что выполнение второго условия происходит автоматически после выполнения первого.

Например, в модели Стро [170, 247] определяли из условия зарождения микротрещины, при этом предполагали, что страгивание микротрещины выполняется автоматически после ее зарождения. В модели Коттрелла [170, 247] рассмотрена обратная ситуация, предполагается, что определяется напряжением страгивания микротрещины критической длины, а собственно само зарождение микротрещины может происходить при сколь угодно малых эффективных напряжениях. Сопоставление полученных таким путем расчетных значений сгшт с экспериментальными данными по хрупкому разрушению поликристаллов продемонстрировало весьма удовлетворительное их соответствие [121, 170]. Следовательно, можно считать, что при помимо условий зарождения и страгивания

микротрещины выполнено условие ее распространения через границы зерна (или другие барьеры), где напряжение распространения микротрещины; однако при зависимость при на некотором интервале температур лредставляла бы горизонтальную прямую, отвечающую температурно-независимому напряжению страгивания микротрещины S [условие будет обосновано ниже], что не отвечает опытным данным: при зависимость возрастающая. Таким образом, при в случае, когда выполняется условие при температуре Т совпадают три условия: зарождения, страгивания и распространения микротрещин.

Длину «острой» (раскрытие равно параметру решетки) зародышевой микротрещины 1°, приводящей при к разрушению, можно определить из соотношения Гриффитса

где поверхностная энергия.

Анализ известных дислокационных механизмов образования микротрещин [4, 25, 170, 247] показывает, что существует некоторая минимальная величина устойчивой зародышевой трещины Очевидно, что зарождение микротрещины большей, чем длины мало вероятно, так как в этом случае требуемый уровень нагруженности материала будет превышать нагруженность, необходимую для зарождения трещины минимальной длины. Иными словами, микротрещина длиной зародится на более ранних этапах нагружения, чем будут реализованы условия зарождения микротрещины большего размера.

Таким образом, при зарождении микротрещины по какому-либо конкретному дислокационному механизму ее длина 1° не будет зависеть от нагруженности материала и температуры и будет равна В случае зарождения микротрещин на включениях различной природы ее размер 1° будет определяться размером этих включений и, следовательно, также слабо будет зависеть от температурно-силовых условий нагружения образца.

Таким образом, можно считать, что при различных условиях деформирования материала микротрещины, способные инициировать хрупкое разрушение, будут зарождаться с постоянной длиной 1°, которую можно вычислить по формуле (2.2). Следовательно, т. е. температурно-независимая характеристика, отвечающая критическому напряжению страгивания микротрещины.

При деформировании в области температур (рис. 2.6) для микротрещины длиной 1° возможны следующие ситуации: если , то условие страгивания не выполнено и микротрещина не может «упруго» расти, но может удлиняться «пластически», например с помощью эмиссии дислокаций из ее

вершины, и в результате затупляться так, что при дальнейшем нагружении такая микротрещина не является критической по условию Гриффитса. Этот случай схематически показан на рис. 2.6, а (точка 1). При дальнейшем пластическом деформировании происходит непрерывная генерация микротрещин (рис. 2,б, а, точки 2, 3, 4) длиной при а микротрещины, зародившиеся при любой температуре начинают нестабильно развиваться. Будет или нет этот нестабильный рост приводить к макроразрушению, зависит от выполнения условий распространения трещины. Здесь надо учитывать, что в процессе деформирования наряду с повышением нормальных напряжений может происходить и увеличение напряжения необходимого для распространения трещины. Такой рост по всей видимости, может быть обусловлен двумя факторами. При небольших степенях пластического деформирования (низких температурах) увеличение с ростом в основном обусловлено влиянием знакопеременных микронапряжений (механизм такого влияния будет рассмотрен ниже). При больших пластических деформациях увеличение в основном обусловлено созданием и эволюцией деформационной субструктуры (например, уменьшением размеров ячеек или фрагментов).

Таким образом, при температуре условия зарождения, страгивания и распространения микротрещины скола в принципе уже не совпадают. Микротрещины длиной 1° при а нестабильно распространяясь до некоторых эффективных барьеров, роль которых выполняют либо микронапряжения (напряжения II рода), либо границы субструктуры, приводят к макроразрушению, если напряжение о достигло уровня соответствующего «прорыву» этих барьеров (рис. 2.6, а, точка

4). В противном случае микротрещины останавливаются такими препятствиями и в результате пластической деформации затупляются (рис. 2.6, а, точки 2 и 3). В качестве примера на рис. 2.6 показано торможение микротрещин границами субструктурных составляющих.

Изложенные здесь представления о кинетике хрупкого разрушения ОЦК металлов опираются на несколько существенных моментов. Во-первых, введено понятие зародышевой микротрещины скола («острой» микротрещины), которая имеет раскрытие, равное параметру решетки, и длина которой определяется значением напряжения страгивания по условию Гриффитса. В соответствии с (2.2) для перлитных сталей Очевидно, что наблюдение острой зародышевой трещины в статических условиях в принципе невозможно. В соответствии с предлагаемой моделью могут наблюдаться микронесплошности размером, близким к но имеющие порообразный вид в результате пластического притупления вершин тех зародышевых микротрещин, для которых условие страгивания было не выполнено, т. е. которые возникли при Действительно,

в работах [8, 183] такие микронесплошности длиной около 0,1 мкм эллиптической формы с соотношением осей примерно были зафиксированы различными методами в разных материалах. Трещины скола длиной также могут присутствовать в металле — это те микротрещины, для которых выполнено условие страгивания и не выполнено условие распространения.

Рис. 2.7. Схематическое изображение условий зарождения (1), страгивания (2) и распространения (3) микротрещин скола для слузая одноосного растяжения при совпадении (а) и несовпадении (б) минимального значения разрушающего напряжения с пределом текучести, а также температурные зависимости предела текучести и критической деформации линия, соответствующая разрушающим напряжениям

Такие трещины длиной, равной размеру зерна, наблюдали, например, в крупнозернистом феррите, продеформированном на 8% при - 196 °С [31].

Указанное следствие вытекает из второго важного момента предложенной схематизации процесса хрупкого разрушения: условия зарождения, страгивания и распространения трещин скола являются независимыми. Разрушение в макрообъеме в зависимости от температурно-деформационных условий нагружения может контролироваться одним из перечисленных процессов. Для случая одноосного растяжения условия зарождения, страгивания и распространения микротрещин скола можно изобразить в виде схемы (рис. 2.7), использовав параметрическое представление в координатах Кривая 1 соответствует условию зарождения микротрещин скола, причем это условие не совпадает с условием достижения макроскопического предела текучести. Црямая 2, отвечающая напряжению есть условие страгивания. Линия 3 определяет условия распространения микротрещин скола в изменяющейся в процессе деформирования структуре материала. Очевидце, что при условии а параметр поскольку в этом, случае не сформированы

еще эффективные барьеры, приводящие к торможению микротрещин. Хрупкое разрушение гладких образцов в условиях одноосного растяжения при То контролируется, как было сказано выше, условием распространения микротрещин, т. е. кривой 3. При о процессом, контролирующим макроразрушение, становится зарождение микротрещин; при этом с уменьшением температуры разрушающее напряжение растет. На рис. 2.7, а условия зарождения, страгивания и распространения микротрещин скола показаны для случая, когда при минимальное значение разрушающего напряжения совпадает с пределом текучести (см. рис. 2.6,а). Здесь при указанные условия выполняются одновременно. На рис. 2.7, б кривые зарождения 1, страгивания 2 и распространения 3 соответствуют экспериментальным данным рис. 2.6, б, т. е. ситуации, когда при не совпадает с пределом текучести. В этом случае при совпадают условия зарождения и распространения микротрещин, а напряжение страгивания будет меньше Последнее обстоятельство вытекает из следующей интерпретации увеличения напряжения распространения микротрещины с ростом температуры. Увеличение связано со структурными изменениями при пластическом деформировании: в области температур где напряжение в момент разрыва образца величина будет расти с увеличением температуры и соответственно пластической деформации, при где следует принять, как уже говорилось, Температурно-независимое напряжение страгивания микротрещины по физическому смыслу не может быть больше, чем подподраздел 2.1.3.3), поэтому имеем можно принять

В заключение заметим, что рассмотренной кратине разрушения материала в диапазоне температур температура смены механизма разрушения) не противоречат и данные о фрактурах поверхности изломов [121, 122, 428]. При условие хрупкого разрушения не выполняется: разрушение происходит по вязкому механизму — в большинстве случаев по механизму образования и роста пор. Иными словами, при раньше, чем будет достигнуто напряжение, соответствующее прорыву барьеров, наступает разрушение, обусловленное появлением и ростом пор в процессе пластического деформирования и, как следствие, потерей устойчивости в структурном элементе (см. подраздел 2.2.2). По-видимому, к вязкому механизму разрушения следует отнести и расслоения, возникающие в условиях одноосного растяжения ОЦК металлов в определенном температурном диапазоне [211]. Однако в дальнейшем в настоящей работе будет рассматриваться только кавитационный механизм вязкого разрушения — разрушения вследствие образования и роста пор.