Механизмы зарождения границ

Как уже отмечалось, атомный механизм зарождения трещин качественно одинаков при хрупком и вязком разрушении. Считается, что микротрещины в момент зарождения имеют длину ~10^{-4 мм.}

Допустим, что для зарождения трещины необходимо после разрыва межатомных связей удалить две вновь образовавшиеся поверхности на одно межатомное расстояние а. Тогда теоретическое сопротивление отрыву S _от – напряжение, необходимое для одновременного разрыва связей между атомами на единице площади, - S _от = 2γ/ a,

где γ – поверхностная энергия.

Поскольку

γ ≈ 0,1 Gb, то S _от ≈ 0,2 G,

что примерно вдвое больше критического скалывающего напряжения t _кр. Реальные же значения разрушающих напряжений на несколько порядков меньше, т.е. ситуация такая же, как при сопоставлении теоретических и экспериментальных значений t _кр. И вновь теория дислокаций позволяет объяснить это противоречие. В современных трактовках используется представление о том, что зарождение трещин является результатом сильной локальной концентрации напряжений, чаще всего у дислокационных конфигураций, формирующихся в процессе предшествующей разрушению пластической деформации.

Рисунок 2. 29 - Схема зарождения трещины у дислокационного скопления (Стро)

Наиболее часто трещины возникают у вершин скоплений дислокаций вблизи каких-либо барьеров: включений избыточных фаз, границ зерен, двойников, сидячих дислокаций и т.д. В непосредственной близости от барьера (рис. 2.29) краевые дислокации в плоском скоплении могут под действием напряжений оказаться настолько тесно прижатыми друг к другу, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая микротрещина. Эта схема прямо предполагает необходимость некоторой пластической деформации, достаточной для образования дислокационных скоплений. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения дислокаций, под действием растягивающих напряжений, в результате концентрации касательных напряжений в головной части скопления. Расчеты показывают, что под действием такой модели трещина возникает при величине локальных касательных напряжений у вершины скопления 10^{-1 G}. Этому соответствует образование скопления из 10² – 10³ дислокаций.

В металлах с ОЦК решеткой трещина может образоваться по модели, предложенной Котреллом (рис. 2.30). Допустим, что в растягиваемом образце дислокации с вектором Бюргерса 1/2 a [] и 1/2 a [111] скользят в пересекающихся плоскостях (101) и (10). При встрече этих дислокаций возникает новая, расположенная в плоскости (100):

1/2 a [1] + 1/2 a [111] → a [001].

Многократное повторение этого взаимодействия приводит к слиянию новых дислокаций a [001], что в конце концов вызывает образование зародышевой трещины. Схема Котрелла не требует наличия барьеров для дислокаций в исходном состоянии. Барьеры, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате пластической деформации.

Рисунок 2. 30 - Схема зарождения трещины в ОЦК металлах (Котрелл)

Зарождение трещин может происходить и без дислокационных скоплений. Так, в металлах с ГП решеткой наблюдается возникновение трещин в результате разрыва малоугловой границы при пластической деформации. На рис. 2.31 а показана одна из таких границ наклона в кристалле, пунктир – след плоскости скольжения (базисной в ГП решетке), по которой перемещаются дислокации при пластической деформации. Если в нижней части кристалла имеется препятствие и величина касательных напряжений в этой плоскости окажется достаточно большой, то произойдет разрыв дислокационной стенки (см. рис. 2.31 б), ее концы разойдутся, а скачкообразно возникающая при этом растягивающая деформация может вызвать появление трещины.

Рисунок 2. 31 - Образование трещины в результате перерезания малоугловой границы при пластической деформации: а - до деформации; б - схема зарождения трещины.

Часто зарождение трещин наблюдается в месте встречи двойника деформации с каким-либо прочным барьером, например границей зерна или другим двойником (рис. 2.32 а). Двойники распространяются с высокой скоростью, и возникающие при столкновении с препятствием напряжения не успевают релаксировать. Особенно благоприятные условия для зарождения трещин создаются при встрече растущего двойника деформации с ранее образовавшимся, для которого было характерно другое направление двойникования (рис. 2.32 б). В этом случае концентрация напряжений в месте встречи особенно велика.

Рисунок 2. 32 - Схема возникновения трещины при встрече развивающихся двойников (а)

и торможения одного двойник другим (б)

В условиях сильно развитой межзеренной деформации увеличивается вероятность зарождения трещин на границах перемещающихся один относительно другого кристаллитов. Рассмотрим стык трех зерен (рис. 2.33 а) в растягиваемом образце. Межзеренные смещения будут проходить в основном вдоль границ между зернами A-C и B-C, где действуют большие касательные напряжения. В результате трещина зарождается вблизи места стыка O и распространяется вдоль границ A-C и B-C (рис. 2.33 б). На практике с такой схемой зарождения трещин в результате межзеренных смещений встречаются обычно при высоких температурах.