ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ОБРАЗОВАНИЕ В МЕТАЛЛЕ СУБМИКРОТРЕЩИН, ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ

Предложено более 30 микромеханизмов образования дисло­кационных субмикротрещин. Однако все они являются разно­видностями (вариантами) трех основных механизмов, изображен­ных на рис. 6.31.

6.3.2.1.

МЕХАНИЗМ СТРОО

На рис. 6.31а показан механизм образования субмикротрещи­ны в результате торможения линейного скопления дислокаций у препятствия, предложенный А. Н. Строо (A. N. Stroh). Препятст­вием может стать граница зерна, достаточно крупное и твердое неметаллическое включение и т. п. Возможно образование трещи­ны либо в том же зерне, где расположено скопление (как показано на рисунке), либо в соседнем зерне, если препятствие, изображен­ное на рисунке, повернуто на 90° по часовой стрелке.

Для реализации механизма нужно создать такие напряже­ния т1, чтобы две дислокации (с вектором Бюргерса b) в голове ско­пления слились в одну с вектором Бюргерса 2b. При этом расстоя­ние между дислокациями r станет равным b. В соответствии с

м

формулой (4.23) при r = b сила, с которой эти дислокации оттал­киваются друг от друга, составит:

G ■ b _ St ■ b

F _ ^-и w

r_b 2л(1 - V) 1 — v.

В последнем равенстве использована формула (4.9) для прибли­женной оценки теоретической прочности St.

Если в линейном скоплении находится n дислокаций и каса­тельные напряжения равны пределу текучести на сдвиг, то соглас­но формуле (4.12) сила, действующая на головную дислокацию:

F = (Тт - тг) • b • n.

Приравнивая эти два значения для критической силы, полу­чим необходимое для образования трещины количество дислока­ций в скоплении:

G ■ b______ 1 = G = G 4d

n =-------------------------------- =--------------------------- =---------- -------- .

2 ■ n ■ (1 - v) (іт - і) ■ b 2 ■ n ■ (1 - v) k ^ d-± 2 ■ n ■ (1 - v) ■ k

В последних равенствах использована формула (4.34) для за­висимости предела текучести хт от диаметра зерна d.

Определим количество дислокаций в скоплении, нужное для воз­никновения субмикротрещин в спокойной низкоуглеродистой ста­ли с диаметром зерна d = 0,05 мм и коэффициентом 2k = 1 кГ/мм3/2 в формуле Петча:

n = 2.M04 VMS = 821_

2,6 • 2 •%• (1 - 0,3) • 0,5

Это очень большое число, и экспериментально наблюдается на 1-2 порядка меньшее количество дислокаций в скоплении.

Если две дислокации слились и образовали трещину, то присое­динение к ним третьей дислокации требует значительно меньшей силы F, четвертой — еще меньшей силы. Если в трещину «свалят­ся» n дислокаций, то ее раскрытие h, согласно рис. 6.31а, составит:

(6.68)

Величина h определяет длину L возникшей трещины, что бу­дет рассмотрено ниже.

Самый большой недостаток этой схемы образования субмик­ротрещин заключается в том, что трещина ориентирована не по­перек, а вдоль направления действия напряжений ст1, которые в дальнейшем должны привести к хрупкому разрушению зерна.

Такая трещина не может вызвать ожидаемого разрушения при одноосном растяжении. Об этом, как правило, умалчивают авто­ры, использующие механизм Строо для анализа условий хрупко­го разрушения металла.

6.3.2.2.

механизмкоТтрелла

На рис. 6.316 показана схема механизма образования субмик­ротрещины на пересечении двух линий скольжения. Она предложе­на А. Х. Коттреллом (A. H. Cottrell). Здесь пары дислокации с век­торами Бюргеса b по наклонным плоскостям движутся навстречу друг другу по плоскостям скольжения. На линии пересечения этих плоскостей они сливаются и образуют дислокацию с вектором Бюр - герса, равным а, которая находится в плоскости основания куба ре­шетки. Такая дислокация не может двигаться и называется «сидя­чей дислокацией». Далее процесс слияния дислокаций повторяется.

Этот процесс образования субмикротрещины энергетически выгоден, следовательно, может происходить при любом напряже­нии. Однако требуется массовое движение дислокаций, для кото­рого необходимо иметь напряжения, равные или выше предела текучести. Обратите внимание: если трещина образуется по дан­ному механизму, она перпендикулярна максимальному нормаль­ному напряжению и ориентирована наиболее благоприятно для последующего хрупкого разрушения зерна.