Фрактография в материаловедении

1.1. Механизмы разрушения материалов

Существуют различные классификации видов разрушения. В случае однократного воздействия монотонно нарастающей нагрузки возможно разрушение двух основных видов: хрупкое и вязкое.

На практике чаще имеет место смешанное разрушение, одновременно обладающее чертами и хрупкого, и вязкого разрушения. Иногда признаки указанных типов разрушения могут проявляться в определенной последовательности (например, разрушение начинается как вязкое, а заканчивается как хрупкое).

Разрушение называют вязким, если ему предшествовала значительная пластическая деформация, и хрупким, если пластическая деформация незаметна или же не превышает 1–2 %. Первоначально считали, что хрупкое разрушение происходит после упругой деформации, но затем было экспериментально доказано, что в металлах любому разрушению предшествует пластическая деформация, хотя бы и очень маленькая.

При хрупком разрушении, когда микропластическая деформация не выявляется, в микрообъемах всегда можно найти следы пластической деформации в виде линий скольжения. Считают, что при хрупком разрушении металлов развитию трещины сопутствует локальная пластическая деформация в тонком приповерхностном слое трещины. Такое разрушение называют квазихрупким.

Деление разрушения на хрупкое и вязкое весьма условно, так как при такой классификации трудно охватить все стороны явления на макро- и микроуровне.

С позиций макроскопической картины хрупкое разрушение вызывается действием относительно небольших растягивающих напряжений (обычно не превышающих предел текучести). В этом случае для протекания и завершения хрупкого разрушения не требуется подвода энергии извне (т. е. повышения действующей нагрузки), а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся конструкции.

Принципиально иная ситуация возникает в условиях протекания вязкого разрушения. Оно развивается под действием напряжений, которые не только превышают предел текучести, но и непрерывно растут по величине (хотя действующее усилие может при этом даже снижаться вследствие уменьшения «живого» сечения нагруженного материала).

Таблица 1

Классификация основных видов механического разрушения

Хрупкое разрушение сопровождается незначительной пластической деформацией, предшествующей разрушению. Вязкому же разрушению предшествует значительная макроскопическая деформация, так как оно развивается при напряжениях, превышающих предел текучести, и суммарная энергоемкость процесса оказывается большой.

Я.Б. Фридман классифицирует разрушение по разным признакам (табл. 1).

Для обоих видов разрушения характерным является возникновение зародышевых трещин и их последующее распространение. По механизму образования трещины хрупкое и вязкое разрушения принципиально между собой не различаются. Вместе с тем склонность к тому или иному виду разрушения материала определяется тем, с какой скоростью возникшая трещина будет затем развиваться. При хрупком разрушении трещина растет с очень высокой скоростью, достигающей 0,4–0,5 скорости распространения звука в разрушаемом материале. В то же время скорость роста «вязкой» трещины очень мала.

Механизмы зарождения трещин и пор на атомном уровне основаны на представлении о том, что для разрушения необходима пластическая деформация, вызванная движением дислокаций.

Известно несколько моделей соединения дислокаций и образования субмикротрещин. Так, торможение дислокаций и их скопление около препятствий (границы зерен, двойников либо включения избыточных фаз) способствует сближению нескольких дислокаций, экстраплоскости которых сливаются, а под ними образуется зародышевая микротрещина. Модель образования микротрещины путем слияния дислокаций называется моделью Зинера – Стро.

Микротрещина может преобразовываться в микропору путем вхождения дислокации обратного знака в дислокационную микротрещину и ее затупления (рис. 1), что приводит к существенному уменьшению концентрации напряжений в ядре клиновидной дислокационной трещины, или сверхдислокации.

Рис. 1. Образование дислокационной трещины (а) и ее затупление с превращением в пору (б) [3]

Микропоры могут образоваться путем формирования локальных скоплений вакансий с последующей конденсацией их в поры. Вакансионному пересыщению кристаллической решетки способствуют большая пластическая деформация, радиационное облучение, закалка и т. п.

Модель формирования поры в результате сдвиговой деформации, протекающей за счет дислокационных перемещений в пересекающихся плоскостях скольжения, показана рис. 2. Условия такого скольжения реализуются в макроскопическом масштабе, например, при поперечной или винтовой прокатке, при которой в осевой зоне заготовки вскрывается полость.

Рис. 2. Образование поры на пересечении попеременно активируемых плоскостей скольжения

Особенности производства и эксплуатации металлических материалов способствуют возникновению газовых пор (пузырьков), причем давление газа может быть существенным.

Модель заторможенного сдвига. Эта модель, подобно предыдущей, предполагает блокировку дислокаций барьером. Отличие ее заключается в том, что в голове дислокационного скопления возникают не только касательные напряжения интенсивностью nτ, но и значительные нормальные растягивающие напряжения в области под плоскостью скольжения. Эти растягивающие напряжения максимальны на плоскости, составляющей угол 70° с плоскостью скольжения (рис. 3).

Рис. 3. Схема зарождения трещины у вершины дислокационного скопления [3]

После достижения количества дислокаций в скоплении до нескольких сотен нормальные напряжения превышают прочность материала на отрыв (теоретическая прочность), и появляется трещина.

Модель Коттрелла. Этот механизм можно использовать для описания процесса образования трещин в металлах с ОЦК (объемно центрированной кубической) решеткой. Возникновение трещин, как и в предыдущих случаях, связывается с необходимостью формирования дислокационных скоплений. Однако в модели Коттрелла не требуется наличия в исходном состоянии готовых барьеров для дислокаций. Препятствия, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате протекающей пластической деформации.

Рис. 4. Схема зарождения трещины в ОЦК металлах [3]

На рис. 4 показана схема образования трещины по этой модели. В растягиваемом образце происходит перемещение скользящей дислокации по пересекающимся плоскостям (101) и (101) (это плоскости наиболее плотной упаковки в ОЦК кристалле, и именно они являются плоскостями легкого скольжения). При встрече этих дислокаций возникает новая дислокация, расположенная в плоскости (100), не являющейся плоскостью скольжения. Дислокация встречи блокирует обе плоскости скольжения, что приводит к скоплению дислокаций и образованию зародышевой трещины в плоскости скола (001).

Модель образования трещины у субграницы. В некоторых случаях для зарождения трещины необязательным является наличие дислокационного скопления. Например, в металлах с гексагональной решеткой (Zn) при низких температурах возможно возникновение трещины в результате перерезания малоугловой границы в процессе сдвига. На рис. 5 показано образование микротрещины в результате сдвига, разделяющего малоугловую границу (с углом разориентиров-ки приблизительно 5°) на две части. Такое разделение возможно, если малоугловая граница расположена вертикально по отношению к базисным кристаллографическим плоскостям ГПУ кристалла, по которым происходит сдвиг при нагружении.

Модель зарождения трещины при торможении двойника. Двойники деформации распространяются с большой скоростью, поэтому при встрече растущего двойника деформации с препятствием, например границей зерна или ранее образовавшимся двойником, для которого характерно другое направление двойникования, создаются благоприятные условия для зарождения трещины (рис. 6).

Рис. 5. Возникновение трещины при перерезании малоугловой границы:

а – до деформации; б – зарождение трещины [3]

Рис. 6. Схема возникновения трещины при встрече развивающихся двойников (а) и торможения одного двойника другим (б) [3]

В условиях развитой межзеренной деформации микропоры могут возникать вблизи стыка кристаллитов А, В и С (рис. 7).

Вакансионная модель образования пор. Деформация ползучести, особенно при высоких температурах и низких напряжениях, связана не с движущимися дислокациями, а происходит вакансионным путем и является результатом направленного массопереноса. Диффузионные потоки вакансий вдоль границ зерен больше транскристаллитных потоков. Это стимулирует зернограничную деформацию и образование трещин и микропор на стыке кристаллитов. Межзеренное проскальзывание вдоль границы со ступенькой способствует образованию микропор.

Микропоры могут образовываться около частиц избыточных фаз, которые чаще всего располагаются на границах зерен. С увеличением поверхностной энергии границы матрица – фаза и уменьшением размера частиц избыточной фазы вероятность образования микропор возрастает. Образование микропор по механизму стока вакансий наблюдается при радиационном облучении.

Рис. 7. Схема зарождения трещины в стыке трех зерен за счет межзеренной деформации [3]

Кроме рассмотренных, возможны и другие механизмы зарождения пор и трещин. Способ образования зародышевых дефектов зависит от типа кристаллической решетки металла и характера микроструктуры. Дальнейшее поведение пор и трещин, определяющее многие механические характеристики материала, зависит от условий нагружения, под действием которых объемные дефекты развиваются.

2.1. Развитие трещины

Вязкое и хрупкое разрушения включают в себя две стадии:

1) зарождение зародышевой трещины;

2) распространение трещины.

По механизму зарождения трещин они принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано с энергоемкостью и скоростью распределения трещин. При хрупком разрушении скорость очень велика, она достигает 0,4–0,5 скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется в основном с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

Энергоемкость вязкого разрушения значительно больше, потому что при развитии вязкой трещины пластическая деформация идет не только вблизи ее вершины, но и по значительному объему детали или образца. В результате работа, необходимая для продвижения трещины, здесь значительно больше, чем при развитии хрупкой трещины, когда пластическая деформация локализована в узком слое у ее вершины.

Вторая стадия разрушения является наиболее важной, поскольку именно она в основном определяет сопротивление материала разрушению. По Я.Б. Фридману, процесс разрушения на стадии развития трещины включает следующие этапы:

1) инкубационный, на котором скорость распространения трещины постепенно возрастает;

2) период торможения, характеризующийся замедлением роста трещины;

3) стационарный, когда скорость развития трещины постоянна;

4) ускоренный, иногда идет лавинообразный период роста трещины, с все возрастающей скоростью вплоть до полного разрушения тела.

Первые три периода соответствуют так называемой докритической стадии развития трещины, когда процесс разрушения еще можно контролировать, а четвертый – закритической стадии распространения трещины, когда окончательное разрушение становится уже трудно управляемым и часто необратимым.