Влияние примесей и частиц второго рода

Распространение трещин в высокопрочных коммерческих сплавах обычно происходит за счет разрушения с образованием ямок. Несмотря на то что разрушения, инициированные трещинами, сопряжены с малыми пластическими деформациями, т.е. с инженерной точки зрения — хрупкие, микромеханизм разрушения является все-таки вязким. Процесс вязкого разрушения заключается в зарождении, росте и слиянии микропустот, возникающих при частицах второго рода (см. гл. II). Поскольку частицы играют главную роль в процессе разрушения, совершенно очевидно, что примеси, главным образом те, которые состоят из частиц, оказывают влияние на процесс разрушения.

Коммерческие материалы могут содержать три типа частиц: а) малые частицы (до 500 Å), например присадки, необходимые в некототорых материалах для получения достаточно высокого предела текучести; б) частицы промежуточного размера (500 — 5000 Å), служащие для задержки роста зерен или для увеличения твердости и предела текучести; в) большие частицы (с размером 0.5—50 мкм и более), которые в одних материалах не нужны, а в других могут служить для повышения твердости и износостойкости.

Во многих материалах частицы промежуточного размера ответственны за процессы окончательного отделения за счет слияния пустот. Однако вязкость разрушения материалов определяется главным образом наличием в них больших частиц. В гл. II было показано, что большие частицы могут разрушаться уже при сравнительно малых деформациях. Наличие таких частиц в сильно деформированной области во фронте распространяющейся трещины может вызвать преждевременное образование больших пустот. Возникновение таких больших пустот ограничивает способность к деформированию окружающего материала и в свою очередь вызывает образование пустот в частицах промежуточного размера. Этот процесс изображен на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Три этапа процесса разрушения:
а — малая деформация; б — большая деформация; в - разрушение;
1 — большая частица; 2 - частица промежуточного размера

Несколько исследователей [14 — 19] сделали попытку рассчитать процесс разрушения теоретически. Анализ этих попыток показывает, что этими авторами получены очень сходные результаты. Для краткости здесь будет рассмотрен только анализ, выполненный Райсом и Джонсоном [14]. В работах Леви и др. [20], Хаткинсона [21], Раиса [22, 24], а также Раиса и Розенгрина [23] получено упругопластическое напряженно-деформированное состояние в окрестности вершины трещины в неупрочняющихся и упрочняющихся по степенному закону материалах. Оказывается, в этой области возникают большие объемные напряжения (при плоской деформации). Однако, если притупление вершины трещины не изменяет существенно геометрию этой вершины, пластические деформации во фронте распространяющейся трещины невелики, хотя перед и за вершиной трещины образуются зоны больших сдвигов. Следует также отметить, что область пластических деформаций перед вершиной трещины в плоскости θ=0 (см. рис. 4.5 и 4.7) мала и по порядку величины равна раскрытию трещины (см. [14]). Если происходит значительное изменение геометрии вершины трещины, то пластические деформации становятся более значительными и непосредственно во фронте вершины трещины величина их доходит до единицы. Однако при вершине трещины с большим радиусом кривизны значительные объемные напряжения не возникают.

Размер значительно деформированной области показан на рис. 11.7. Оказывается, этот размер имеет порядок

(11.13)

Рис. 11.7. Зона больших деформаций при вершине трещины [14]

Раис и Джонсон [14] предполагают, что процесс разрушения сколом может продолжаться только в том случае, если размер сильно деформированной зоны имеет порядок расстояния между частицами s. Это означает, что KI = KIc, если Δ = s; следовательно, из уравнения (11.13) следует, что

(11.14)

Рассмотрим матрицу, содержащую регулярно распределенное множество частиц, расположенных в углах кубической решетки. Диаметр частиц равен d, а в единице объема основного материала содержится n частиц. Объемная концентрация этих частиц

(11.15)

Объем матрицы, приходящийся на одну частицу, V = 1/п. Для простой кубической решетки V есть объем кристаллической ячейки, а расстояние s между частицами равно корню третьей степени из V, следовательно,

(11.16)

Подставляя уравнение (11.16) в (11.14), получаем

(11.17)

Подобное уравнение было получено автором [25]. Степенная зависимость KIc от объемной концентрации вида (11.17) действительно наблюдалась в экспериментах, как можно видеть на рис. 11.8.

Три аспекта этого подхода нуждаются в дальнейшем уяснении:

  1. вообще говоря, вязкость разрушения с уменьшением предела текучести уменьшается, что противоречит уравнению (11.17);
  2. зависимость КIc от размера частиц экспериментально еще не установлена;
  3. пока еще не ясно, какие частицы следует рассматривать, как учитывать предварительное разрушение сколом больших частиц и нужно ли вообще это делать.

Рис. 11.8. Зависимость вязкости разрушения от объемной концентрации частиц [10]:
1 — три вида сталей, шесть видов алюминиевых сплавов; 2 — три вида сталей

Эти три аспекта взаимосвязаны и поэтому далее будут рассмотрены вместе. Влияние предела текучести на величину вязкости означает, что уравнение (11.17) не отражает истинного положения. На рис. 11.8 это выражается зависимостью величины от предела текучести; данные для материалов с различными значениями σys/E на рисунке приведены в виде двух отдельных линий. Зависимость вязкости от предела текучести показана на рис. 11.9.

Материалы с большим пределом текучести обычно имеют меньшую вязкость разрушения при растяжении. Это можно объяснить, предположив, что обработка материала, предназначенная для увеличения предела текучести, не изменяет существенно содержание частиц в материале. При большем пределе текучести требуются меньшие пластические деформации (меньше дислокаций в дислокационных петлях), чтобы к частицам были приложены достаточные напряжения для образования в них пустот. Следовательно, разрушение может произойти при меньших деформациях. Ясно, что между истинной деформацией, при которой происходит разрушение, и пределом текучести существует зависимость вида (см. [8, 25])

(11.18)

где φ — функция объемной концентрации частиц промежуточного размера f, а С — константа.

Поскольку мы рассматриваем разрушение больших частиц, следует ожидать, что напряжение или деформация, необходимая для разделения этих частиц, зависит от их размера (см. [27, 29, 30]). Это может служить причиной зависимости вязкости разрушения от размера частиц в том виде, в котором она задана уравнением (11.18).

Окончательное разделение связки между вершиной трещины и ближайшей большой частицей с трещиной (см. рис. 11.6) определяется процессами зарождения пустот при частицах меньших размеров. Чем выше предел текучести, тем меньше деформация, необходимая для этого отделения. Привлечение к анализу трещины этого аргумента привело бы к необходимости добавить деформационный критерий разрушения этой связки.

Рис. 11.9. Вязкость разрушения как функция предела текучести [26—28]:
1 — алюминиевые сплавы; 2 — титановые сплавы; 3 — высокопрочные стали; 4 - легированные стали

Хотя приведенные здесь аргументы оправдывают модифицированный анализ проблемы, можно попытаться предположить, что достаточная аппроксимация получается уже при подстановке уравнения (11.18) в (11.17). Однако следует отметить, что деформация при вершине трещины является некоторой функцией К. В этом случае, для того чтобы получить условие разрушения связки, величина KIc должна быть пропорциональна разрушающей деформации εf. Это привело бы к уравнению вида

(11.19)

Уравнение (11.19) позволяет довольно точно учитывать влияние предела текучести на вязкость разрушения материала, а также роль частиц промежуточного размера. Это уравнение не имеет экспериментального подтверждения. Вейс и Сенгупта [31] вывели уравнение, в котором KIc пропорционально εf, и привели данные для нескольких сталей, согласующиеся с этим уравнением. Следует подчеркнуть, что уравнение (11.19) служит просто для иллюстрации. Во многих материалах разграничить большие частицы и частицы промежуточного размера невозможно; это наводит на мысль о том, что уравнение типа (11.19) может вообще не иметь общей применимости. Кроме того, широко используемые материалы могут содержать частицы, состоящие из различных веществ и обладающие различными свойствами. Это означает, что различные примеси оказывают на величину вязкости разрушения различное влияние. Так, наличие в металле в качестве примесей углерода или карбидов приводит к совершенно иному эффекту, нежели наличие серы или сульфидов. В качестве примера можно рассмотреть рис. 11.10, на котором показана зависимость вязкости разрушения малопримесной стали из серии 4340от содержания в ней кремния и серы (см. [32]). Такие элементы, как водород, азот и кислород, распределены в металлах равномерно, а не в форме частиц. Ясно, что влияние этих элементов на величину вязкости разрушения можно объяснить их влиянием на величину деформации, при которой происходит разрушение.

Рис. 11.10. Зависимость вязкости разрушения сталей типа 4340от содержания в них кремния и серы [32]
(по данным ASTM)

В заключение можно сделать следующие общие замечания. При вязком разрушении, происходящем за счет слияния пустот, от количества, размера и распределения частиц второго рода будут зависеть обе величины КIc и εf. Вероятно, условие разрушения определяется объемной концентрацией частиц, а величина KIc зависит от объемной концентрации и от расстояния между этими частицами. Эта информация может оказаться полезной при получении сплавов с высокой вязкостью разрушения, однако ее нельзя обобщать. Условие разрушения будет также зависеть от природы частиц, их жесткости, способности к пластическому деформированию, прочности и от прочности матрицы, окружающей частицу.

Можно ожидать, что различные элементы примесей и их комбинации будут влиять на величину вязкости разрушения по-разному из-за образования различных типов частиц второго рода и интерметаллических включений. Поэтому исследования этого предмета из-за большого количества параметров сложны и обычно не приводят к ясному пониманию вопроса. Следовательно, получение сплавов с высокой вязкостью разрушения будет зачастую проводиться методом проб и ошибок. В сплавах вообще следует избегать любых частиц, кроме тех, которые нужны для повышения предела текучести.

Возникает вопрос, эффективно ли тратить большие усилия для получения сплавов с большой вязкостью разрушения. Производство чистых материалов можно осуществить только за счет большой траты времени и средств. На основе рис. 11.8 можно заключить, что только в том случае, когда материалы совершенно свободны от частиц, величину KIc можно увеличить на 20—30%, что соответствует увеличению критического размера трещины на 40—70%. Хотя эти цифры кажутся впечатляющими, они не могут намного увеличить время жизни конструкции (рис. 11.11). Сомнительно, чтобы столь малый выигрыш во времени жизни всегда окупал стоимость более дорогих материалов. Если бы сплавы с повышенной вязкостью разрушения обладали повышенным сопротивлением росту трещины, то результат был бы гораздо эффективнее. Однако имеющиеся экспериментальные данные говорят о том, что частицы оказывают лишь слабое влияние на процесс распространения усталостной трещины (см. гл. II).

Рис. 11.11. Результат, получаемый при 30%-ном увеличении вязкости разрушения



 Предыдущая  § 11.3. Влияние примесей и частиц второго рода  Следующая 
 
Наш сайт работает на Sapid CMS
Яндекс цитирования
Наш сайт работает на Sapid CMS