ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН

С этим механизмом часто связано появление дефектов в метал­ле шва и зоне термического влияния. По табл. 1.3 это факторы 5 и 6, число аварий от которых в сумме составляет 4,1% от всех слу­чаев разрушения.

6.5.1.

МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН

Структура границ зерен была рассмотрена в разделе 4.2.9. Схе­мы границ зерен показаны на рис. 4.18. Теперь нужно предста­вить, что произойдет с границей двух зерен, если к ней приложить касательные напряжения. Схема границы двух зерен показана на рис. 6.113.

Атом 1, принадлежащий к узлу решетки зерна А (рис. 6.1136), колеблется с частотой температурных колебаний атомов решетки порядка 107 с1. При этом он постоянно перемещается между уз­лом 1 решетки A и ближайшими узлами 2 и 3 решетки B, которая разориентирована по отношению к решетке A не только по углу наклона а, но и по углу кручения р. Узлы 2 и 3 не лежат в плоско­сти x-y основного рисунка.

Если к границе приложить даже небольшие касательные на­пряжения т, направленные вдоль плоскости I-I (рис. 6.114а), то перескоки атомов границы станут несимметричными. Частота пе­рескоков в направлении приложенных напряжений т увеличит­ся, и зерно B начнет проскальзывать по границе зерна A.

Скорость зернограничного проскальзывания по этому механиз­му должна быть пропорциональна числу атомов границы, способ­ных преодолеть потенциальный барьер при перескоках из одной решетки в другую. Й. Чадек предложил для вычисления скорости зернограничной деформации zgb формулу

fcgb _ ai (дг? ехр(_ Qc _ Qgb I, (6.215)

где a1s п1 — эмпирические постоянные материала; t — время; sp — интенсивность внутризеренной пластической деформации; — интенсивность напряжений; Qc — энергия активации ползучести; Qgb — энергия активации зернограничного проскальзывания; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Если бы граница зерен была плоской, то при зернограничном проскальзывании на ней никаких дефектов не возникало. Но плос­кость I-I, на которой столкнулись два независимо зародившихся и растущих зерна A и B, ориентирована по отношению к их кристал­лическим решеткам случайно. С течением времени при отсутствии внешней нагрузки перескоки атомов выстраивают отдельные уча­стки границы между двумя зернами в энергетически наиболее выгодное кристаллографическое положение. Такое выстраивание начинается из многих точек рассматриваемой границы. Каждый участок новой границы растет независимо от соседнего; на лини­ях встречи соседних участков образуются ступеньки, схематиче­ски показанные на рис. 6.114a. В плоскости I-I эти ступеньки об­разуют более или менее регулярную сетку.

Если граница двух зерен имеет ступеньки, то проскальзывание зерен по ней приводит к образованию пор (рис. 6.1146). Величина пор на этом рисунке равна величине зернограничного проскальзы­вания АН, которая, в свою очередь, исходя из геометрических сооб­ражений, должна быть пропорциональна величине зернограничной деформации sgb, умноженной на диаметр зерна. В результате гра­ница ослабляется и при критическом размере пор разрушается.

Роль ступенек на границе при образовании пор могут выполнять твердые неметаллические включения. Обычно это карбиды, нитри­ды или карбонитриды, выпадающие на границе в результате пере­носа к ней атомов из раствора по механизму динамического старе­ния. Чем больше количество этих включений на границе, тем больше количество растущих пор, и тем меньше критическая величина про­скальзывания, при которой происходит разрушение границы.

На рис. 6.113a проскальзывание двух зерен относительно друг друга было связано с перескоками атомов границы. Однако это не единственный механизм. Под действием касательных напряже­ний на границу I-I могут в массовом количестве сваливаться вин­товые дислокации с одинаковым вектором Бюргерса. Подвижность винтовых дислокаций больше, чем подвижность краевых дисло­каций. Если вектор Бюргерса этих дислокаций пересекает плос­кость чертежа, то зерно A будет поворачиваться вокруг оси х отно­сительно зерна B, и величина проскальзывания АН будет возрастать с удалением от центра этого вращения.

Этот механизм наблюдали в лаборатории металлофизики СПбГУ, деформируя металл под электронным микроскопом. Было видно, как под действием напряжений на границу двух зерен, как солдаты в строю, выходят винтовые дислокации. Когда количест­во этих дислокаций достигало критической величины (вероятно, Ah достигала критической величины), граница между зернами раз­рушалась.

Схема второго механизма разру­шения на пересечении границ зерен показана на рис. 6.115.

Под действием касательных на­пряжений т зерно A проскальзывает на величину Ah по зерну Bточно так же, как описано выше. Но на пути этого проскальзывания лежит зер­но C. Далее возможны два варианта.

Если граница между зернами B и C прочна, то в зерне C возникнет внут - ризеренная пластическая деформа­ция гр, которая образует на границе зерна C ступеньку высо­той Ah. Тогда граница между зернами С и B остается целой, но проскальзывание по границе зерен A и B обязательно сопровож­дается внутризеренной деформацией, как это следует из формулы

(6.215) . Тогда скорость зернограничной деформации zgb пропорцио­нальна скорости внутризеренной пластической деформации гр.

Но если граница между зернами B и C недостаточно прочна на отрыв, то на ней возникает клиновидная трещина с раскрытием h = Ah, описанная в разделе 6.3.5. При отсутствии растяжения ее длина определяется формулой, аналогичной (6.90)

L = h2 ■ E

с 4■ (1 - V2)2 - п-уg ’

но энергия поверхностного натяжения здесь относится к границе двух зерен, поэтому она обозначена yg.