Торможение трещин дислокациями и коррозия под напряжением

Дислокационный механизм обеспечивает весьма удачную комбинацию упругости при малых деформациях с интенсивным течением - при больших. Типичная кривая напряжение - деформация для пластичного металла схематически показана на рис. 48. Упругая деформация в таких металлах составляет намного меньше 1%. Далее их поведение напоминает пластилин, они текут при почти постоянном напряжении до удлинений 50% и более (на самом деле локальные деформации бывают значительно большими). На этом участке пластического течения материал не разупрочняется. С увеличением деформации напряжение не возрастает; но, с другой стороны, металл серьезно и не повреждается. Средняя рабочая деформация, сознательно допускаемая в технических конструкциях, редко превышает примерно 0,1%, а поскольку металл может течь локально до 100% и более, то допустимы концентрации деформаций в кончике трещины что-нибудь около 1000.

Рис. 48. Кривая напряжение-деформация для пластичного металла

На рис. 49 видно, что по обе стороны от кончика трещины есть малые области очень большого сдвига - концентрация напряжений сдвига. Напряжения здесь достаточны, чтобы заработали источники дислокаций, и, действительно, новые дислокации рождаются здесь в изобилии. В двух главных плоскостях, торчащих из трещины, словно уши, под 45° к ее поверхности, возникает сдвиг, и самая опасная концентрация напряжений снимается. Грубо говоря, это равносильно округлению головки трещины. Следовательно, хотя гриффитсов баланс энергии (глава 4) остается в пользу распространения трещины, механизм, движущий ее, оказывается бессильным из-за отсутствия нужной концентрации напряжений.

Рис. 49. Концентрация касательных (сдвиговых) напряжений у кончика трещины.

Таким образом, трещине не удается подрастать по чисто механическим причинам, и материал будет в безопасности, пожалуй, практически в 99% случаев. Работая с материалами, мы должны всегда помнить, что не существует четких и ясных линий раздела между химией, физикой и теорией упругости. Эксперты в своих замках из слоновой кости любят проводить это разделение, но ведь межатомные- то связи о них ничего не ведают. Связь может быть разрушена химическим, физическим или механическим путем, а также любой комбинацией этих способов. Упруго натянутая связь более уязвима по отношению к физическим и химическим воздействиям. По этой причине области с высоким напряжением особенно слабо сопротивляются растворителям и коррозионным средам.

Мы уже подчеркивали, что в вязких материалах баланс энергии обычно остается в пользу распространения трещины. Трещина стоит на месте лишь потому, что из-за снижения концентрации напряжений отсутствует и механизм распространения. В то же время, хотя рождение многочисленных дислокаций сильно понизило напряжения у головки трещины, оно не сбросило их полностью.

Более того, сильно исковеркан и жизненный путь находящихся здесь атомов, и сохранились деформации микрообъемов. Поэтому связи между атомами в этой области более чем где-либо чувствительны к воздействию агрессивных растворов и хнмикалиев, которым случится соприкоснуться с материалом. Вот почему металлы, вязкие на воздухе и в других сухих газах, могут растрескаться под нагрузкой, если их замочить в морской воде. То же самое случается и на химических заводах. Причем без нагрузки металлы могут служить годами в той же самой коррозионной среде, а время действия роковой нагрузки может быть и очень большим, и очень малым. В этом отношении некоторые латуни могут оказаться ловушками для несведущих любителей.

Пластичность кристаллов

Пластичность металлов имеет два чрезвычайно полезных следствия. Во-первых, она затрудняет распространение трещин, а во-вторых, делает металл ковким. Последнее означает, что куску металла можно придать нужную форму путем горячих или холодных операций ковки, прессования, гибки. Вообще говоря, для обработки металлов давлением (ковки, прокатки) способность к течению должна быть больше, чем для того, чтобы обеспечить сопротивление материала развитию трещин. Но обработке подвергается, как правило, нагретый металл, а в таком состоянии практически все кристаллы намного более пластичны.

Пластичность - исключительная привилегия кристаллов, поскольку истинные дислокации могут существовать только в виде нарушений идеальной кристаллической решетки. Большинство твердых тел обладают кристаллической структурой, и дислокации присутствуют почти во всех кристаллах. С другой стороны, в подавляющем большинстве кристаллов при комнатных температурах дислокации либо недостаточно подвижны, либо характер их подвижности не тот.

Почти все кристаллы содержат дислокации, порожденные самой природой кристаллизации. Но эти дислокации распределены по всему объему материала более или менее равномерно, а концентрация напряжений у кончика трещины - явление очень резко выраженное и локализованное, и их, этих врожденных дислокаций, расположенных в непосредственной близости к трещине, для такого сдвига, который бы сгладил ситуацию, обычно не хватает даже если эти дислокации очень подвижны. Следовательно, нужно, чтобы масса новых дислокации возникла прямо на месте происшествия, их должна породить сама концентрация напряжении. Более того, размножение должно идти очень быстро, иначе материал будет уязвимым в случае ударных нагрузок.

В реальном материале трещины совсем не похожи на плоские картинки на листе бумаги, это сплюснутые объемные клиновидные поры, пытающиеся втиснуться в трехмерный материал. Поэтому для того, чтобы должным образом уменьшить концентрацию напряжений, необходим сдвиг в пяти плоскостях.

Число кристаллов, которые удовлетворяют всем перечисленным условиям сразу, очень мало: какая-нибудь дюжина металлических кристаллов из тысяч существующих кристаллических веществ. Сегодня ни один неметаллический кристалл (подозрительное исключение составляет хлористое серебро) мы не можем считать истинно пластичным.

Хотя за последние тридцать лет проделана огромная работа по изучению дислокаций и существует поистине необъятное количество как теоретических, так и экспериментальных сведений, нам все еще полностью не понятно, что определяет подвижность дислокаций в раличных веществах. Но все же, наверное, будет полезно рассказать о некоторых более понятных сторонах этого явления.

Прежде всего, легкость, с которой межатомная связь может быть разрушена и восстановлена, для разных веществ весьма различна. А ведь мы знаем, что каждый раз, когда дислокация прыгает на один шаг, должны рваться старые связи и устанавливаться новые. В этом отношении наиболее гибкими должны быть такие связи, которые обеспечивают одинаковое притяжение во всех направлениях. Здесь на первое место нужно поставить металлическую связь, а за ней - ионную. Наихудшей будет, наверное, ковалентная связь, которая часто бывает в высшей степени направленной. Она имеет характер типа “все или ничего”. К сожалению, ковалентная связь в то же время является и наиболее прочной, и наиболее жесткой, и наиболее желательной из всех химических связей. Но при нормальной температуре дислокации в ковалентных кристаллах малоподвижны.

Очень важную роль играет также кристаллическая структура вещества, то есть геометрия взаимного расположения атомов или молекул в кристалле. Если элементарная ячейка (то есть такая минимальная ячейка, простым повторением которой можно “собрать” кристалл) велика, то прыжок дислокации будет, как правило, затруднен. Даже если элементарная ячейка и мала, но упаковка атомов геометрически усложнена, число направлений легкого скольжения будет чересчур ограничено. Обычно кристаллы с кубическим расположением атомов деформируются легче, чем кристаллы с гексагональной упаковкой атомов. Далее, важную роль играют размер ячейки, а также примеси.

Громадное большинство кристаллических веществ не обладает достаточно высокой пластичностью при нормальных температурах, а те кристаллические вещества, которые пластичны, оказываются слишком уж пластичными. Кристаллы чистых металлов (железа, серебра, золота и т.п.) слишком мягки, настолько мягки, что практически их просто нельзя использовать. Поэтому задача металловедения - искусства и науки-заключается главным образом в том, чтобы придать таким кристаллам твердость и прочность, не сделав их при этом слишком хрупкими. Это следует делать, ограничивая движение дислокаций, но в то же время не надо тормозить его слишком уж сильно.

Инженеры любят толковать об “удлинении”, даже используют его в качестве меры пластичности. Это очень грубый практический прием определения величины пластической деформации металла перед полным его разрушением. Величина эта не имеет ничего общего с упругой деформацией при разрыве материала, которая обычно не превышает 1%. Для измерения удлинения на образец наносятся две метки на расстоянии, положим, 5 см; после разрушения образца две половинки его складываются и расстояние между метками измеряется вновь. Если, например, новое расстояние окажется 7,5 см, то говорят, что удлинение равно 50% и т.д. Как и результаты большинства других популярных инженерных испытаний, удлинение очень трудно более или менее стройным образом связать со свойствами пластического течения материала. Точно так же трудно такие результаты использовать. Однако многие инженеры придерживаются стойкой почти религиозной веры в силу таких испытаний, и если вы скажете им, что древесина и стеклопластики, обладая вязкостью, дают нулевое удлинение, то в ответ можете услышать, что именно поэтому они их и не применяют. Как и большинство верований, основанных на эмоциях, эта вера зиждется на страхе, вполне понятном страхе перед хрупким разрушением.

Для большинства металлических сплавов удлинение порядка 5-10% оказывается достаточным для того, чтобы обеспечить удовлетворительную вязкость. Чаще всего на практике используют малоуглеродистые стали, имеющие удлинение до 50-60%, но довольно низкую прочность. Частично это объясняется перестраховкой из-за боязни трещин, но, кроме того, есть еще и две другие причины. Многие конструкции делают из металлических листов, прутков, труб, и обычно бывает очень удобно и дешево придать им нужную форму путем гибки в холодном состоянии. Подгоняя одну часть конструкции к другой, можно также использовать и другие довольно грубые методы. Во время войны мне говорил как-то один сборщик самолетов, что подгонку крыльев “Спитфайеров” к фюзеляжам можно выполнить только при помощи кувалды. Своими глазами я такого никогда не видел, поэтому не могу ручаться за достоверность, но подобного рода вещи случаются, хотя, пожалуй, и не в авиационной промышленности и не в мирное время.

Вторая причина связана с тем, что перераспределение напряжений в конструкции может сгладить опасные напряжения. Дело в том, что иногда бывает очень трудным сколько-нибудь точно определить нагрузки во всех элементах сложной конструкции, а кое-кому это может показаться просто слишком обременительным занятием. Если же материал течет и имеет большой пластический участок, то перегруженный элемент может просто больше деформироваться, что не так уж и опасно для него. Многие инженеры свято верят в такие “самопроектирующиеся” конструкции.

Теперь нам понятны преимущества пластичных металлов в реальном мире с его несовершенствами и соображениями коммерции. Легко объясняется теперь и широчайшее распространение мягких сталей, алюминия, меди. Но вместе с тем с пластичностью связаны и два недостатка. Пластичность даже самых мягких металлов не бесконечна, и так как способов измерить, какая доля пластичности уже исчерпана при изготовлении детали, обычно нет, остается лишь догадываться, сколько же пластичности сохранилось на то, чтобы обеспечивать вязкость в ходе эксплуатации. Когда ломаются изделия массового производства, именно в этом незнании кроется корень зла. Отжиг - операция достаточно прихотливая, к тому же она связана с дополнительными расходами, а малые детальки имеют грошовую цену, поэтому трудно воспротивиться стремлению деформировать металл в таких случаях вхолодную.

Другой недостаток заключается в том, что максимальная пластичность неизбежно сочетается с малой прочностью, поскольку металловеды должны сделать так, чтобы дислокации начали двигаться при малых напряжениях. А в итоге конструкции часто получаются намного тяжелее, чем следовало бы.