Что такое дендритная ликвация
Ликвация
Ликвация — неоднородность химического состава литейного сплава в различных частях отливки, возникающая при ее затвердевании, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его жидкой и твердой фазах. Различают дендритную и зональную ликвацию. Дендритная ликвация — это химическая неоднородность, проявляющаяся в пределах одного дендрита — кристалла древовидной (ветвистой) формы. Причиной ее является так называемая избирательная кристаллизация, вследствие которой оси дендритов, растущие первыми, содержат меньше примесей, а затвердевающая позже между осями часть расплава обогащается этими примесями, что и приводит к неоднородности химического состава в различных частях каждого дендрита.
Зональная ликвация — химическая неоднородность в отдельных объемах отливки, т. е. различие химического состава в разных ее частях, возникающая в результате как избирательной кристаллизации, так и процессов перемещения ликвирующих элементов вместе с жидкой фазой из одной части отливки в другую при ее затвердевании. Так, более тяжелые примеси могут концентрироваться в нижней, а более легкие — в верхней частях отливки (ликвация по плотности), легкоплавкие компоненты литейных сплавов, затвердевающие в последнюю очередь (при более низких температурах), оттесняются в среднюю часть стенки отливки, что приводит к образованию разновидности зональной ликвации — осевой ликвации. Эта ликвация называется также прямой, в отличие от обратной, при которой в центральной части тела отливки содержатся более тугоплавкие компоненты, а легкоплавкие при кристаллизации вытесняются на ее поверхность.
Ликвация приводит к неоднородности механических и других эксплуатационных свойств литых деталей, вызывает их преждевременный износ и разрушение. Дендритную ликвацию в большинстве случаев удается устранить термической обработкой отливок, при которой за счет диффузионных процессов происходит выравнивание химического состава в пределах каждого кристалла (дендрита). Однако устранить образовавшуюся в отливке зональную ликвацию практически невозможно, поэтому стремятся предупреждать ее образование, создавая технологичные конструкции отливок, с равномерной толщиной стенок и без массивных узлов, вводя в сплавы добавки, уменьшающие ликвацию, применяя ускоренное охлаждение отливок.
Дендритная ликвация и ее влияние на свойства сплавов. Можно ли устранить дендритную ликвацию?
Ликвация – неоднородность химического состава сплавов, возникающая при кристаллизации.
Ликвация обусловлена тем, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур.При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних капель кристаллизующегося маточного раствора. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации (для стали – сера, кислород, фосфор, углерод). Ликвация оказывает, как правило, вредное влияние на качество металла.
Дендритная ликвация может быть ослаблена продолжительным нагревом затвердевшего сплава при температурах, обеспечивающих достаточную скорость диффузии (несколько ниже солидуса). После такого нагрева, называемого диффузионным отжигом или гомогенизацией, дендритная структура литого сплава уже не выявляется и сплав состоит из однородных кристаллов твердого раствора.
Диффузионный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации.
Слитки из углеродистых сталей обычно не подвергают диффузионному отжигу, так как в них при нагреве под горячую обработку давлением из-за быстрой диффузии углерода в аустените дендритная ликвация успевает исчезнуть. Диффузионному отжигу подвергают слитки легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому излому, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие; внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).
Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали. Поэтому слитки и крупные отливки нередко подвергают гомогенизирующему или диффузионному отжигу. Нагрев при диффузионном отжиге должен быть до высоких температур 1100-1200°С, так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава стали. Диффузия наиболее интенсивно протекает в начале выдержки, заметно снижаясь с течением времени. Поэтому во избежание образования большого количества окалины, уменьшения расхода топлива и увеличения производительности печей выдержка должна быть минимальной, обычно 15-20 ч. После выдержки садку охлаждают до 800-820°С в печи, а далее на воздухе.
Во многих случаях для уменьшения дендритной ликвации не проводят специального диффузионного отжига, а выполняют более высокий и длительный нагрев для горячей деформации. В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот недостаток устраняется при последующей обработке слитка давлением или в процессе последующей термической обработке.
Диаграмма состояния эвтектического типа для сплавов с частичной растворимостью одного компонента в другом в твердом состоянии. Атомы каких химических элементов образуют диаграммы такого типа? Постройте кривую охлаждения доэвтектического сплава и объясните превращения.
Рис. 19. Диаграмма состояния системы, компоненты которой образуют ограниченные твердые растворы и эвтектику.
Вполне аналогично рассмотренному будет протекать кристаллизация сплавов, ордината которых проходит правее точки b1, но левее точки b0.
При этом с понижением температуры из β-твёрдого раствора начнут выделяться α-кристаллы. Составы α и β фаз будут изменяться согласно линиям предельной растворимости аа0 и bb0.
Рис. 20. К кристаллизации сплавов, ордината которых проходит через эвтектическую горизонталь.
Кристаллизация заэвтектических сплавов, ордината которых проходит между точками е и b, протекает аналогично кристаллизации доэвтектических сплавов, рассмотренных на примере сплава 2. Только ниже линии ликвидуса вместо α-кристаллов выделяются β-кристаллы, из которых при дальнейшем охлаждении согласно кривой bb0 будут выделяться α-кристаллы.
В отличие от кристаллов, выпадающих непосредственно из жидкого расплава до достижения эвтектической температуры и получивших название первичных, кристаллы, выделившиеся из твёрдого раствора, называют вторичными. В рассматриваемом случае их обозначают символами αII и βII.
Из изложенного ясно, что в эвтектическом сплаве, т.е. сплаве 3 (рис. 20), ордината которого проходит через эвтектическую точку е, затвердевание жидкости начинается непосредственно одновременным выделением из нее α и β-твердых растворов. Таким образом, сразу начинается трехфазное превращение Ж↔α+β, за которым следует двухфазное равновесие α↔β. Смесь одновременно закристаллизованных двух твердых растворов α и β называют эвтектической смесью или просто эвтектикой.
Для уяснения особенностей распада фаз α и β, обусловленного понижением температуры и сопровождающегося выделением фаз βII и αII, подчеркнем следующее. При охлаждении доэвтектических сплавов в результате неизбежного распада имеющейся в них β-фазы (заметим: присутствующей в эвтектике и в виде вторичной фазы βII) также образуется и вторичная α-фаза (αII). Эта фаза сливается с окружающими ее зернами первичной фазы α и в виде самостоятельной структурной составляющей в сплавах не наблюдается. Поэтому на диаграмме состояния отмеченная особенность выделения αII не указывается.
То же самое можно сказать и о фазе βII при кристаллизации заэвтектических сплавов.
Рис. 21. Схема структур сплавов 1, 2 и 3 (см. рис.19, 20) при комнатной температуре.
Вторичные кристаллы αII и βII, выделяющиеся из эвтектических составляющих, объединяются с соответствующими фазами эвтектики и поэтому структурно не обнаруживаются.
Структуры некоторых сплавов приведены на рис. 21.
Рассматривая представленную на рис. 19 диаграмму состояния с точки зрения правила фаз, отметим следующие характерные особенности. Очевидно, что трехфазовому превращению Ж↔α+β, т.е. одновременному выделению твердых фаз α и β из раствора Ж, насыщенного обоими компонентами, должны предшествовать двухфазные равновесия Ж↔α и Ж↔β.
Как только для составов, расположенных между точками a и b, температура понизится до эвтектической, достигается некоторое новое предельное состояние жидкости: она становится насыщенной одновременно обоими видами кристаллов. Таким образом, в равновесии оказываются три фазы постоянного состава: α- и β- кристаллы, составы которых соответствуют точкам a и b, и жидкость эвтектического состава. Вариантность двухкомпонентной системы, находящейся в трех фазах, равна нулю: C=3-3=0. Поэтому эвтектическое превращение протекает при постоянной температуре.
рис 21
Рассмотрим построение ДС на примере сплава из 2-х взаимнонерастворимых в твердом состоянии компонентов, химически не взаимодействующих, но неограниченно растворимых в жидком состоянии. Таким примером может служить система Pb-Sb. Строим кривые охлаждения для ряда сплавов:
Дендритная ликвация
Сплавы (за исключением эвтектических) в отличие от чистых металлов кристаллизуются не от конкретной температуры, а в интервале температур. Поскольку примеси и легирующие элементы преимущественно снижают температуру кристаллизации, то дендритные оси, образованием которых при более высоких температурах начинается кристаллизация, кристаллизуются с чистого металла. С понижением температуры кристаллизации атомы примесей и легирующих элементов вытесняются осями в межосевые промежутки, где при более низких температурах завершается кристаллизация.
Чем шире температурный интервал кристаллизации, тем больше склонность сплава к дендритной ликвации. Ликвация является нежелательным явлением, поскольку создает неоднородность свойств изделий. В частности, дендритная ликвация вызывает охрупчивание слитков, крупных отливок вследствие скопления вредных примесей в межосевых промежутках, на границах дендритных кристаллитов. Дендритную ликвацию можно уменьшить или устранить, проводя гомогенизирующий отжиг изделий.
Для измельчения дендритной структуры сталей и сплавов проводится воздействие на пограничной слой кристалл—жидкость. Воздействие достигается использованием ультразвуковых колебаний на жидкий металл, использованием разнообразных по составу модификаторов, специальных инокуляторов, воздествием магнитных и электрических полей.
Связанные понятия
300 К) полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 10−4−10
10 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.
Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.
Наблюдается на перитектических диаграммах с сильно различающейся температурой растворения фаз, например, алюминий-хром/цирконий/скандий.
Что такое дендритная ликвация
Ликвация – это неоднородность отливки по составу.
В литых сплавах можно наблюдать кристаллы разного состава. В некоторых сплавах во время кристаллизации может возникнуть ликвация либо в микромасштабе (дендритная ликвация), либо в боль¬шем масштабе, таком как масштаб отливки или слитка (макроликвация).
 |  |
| а | б |
Рисунок 1. Дендритная структура на изломе образца силумина Al-5%Si, стереомикроскоп (а) и дендритная ликвация в том же силумине, шлиф, оптический микроскоп (б); литье в землю.
Если диффузия растворенного вещества в твердом теле затруднена (рис. 2, а), то зародыши с содержанием растворен¬ного вещества Ха растут путем прибавления концентрических слоев, которые все более обогащаются растворенным веществом на поверхности раздела (рис. 2, б). При температуре Т жидкость находится в равновесии с твердым телом S. Таким образом, концентрация внутри твердого тела меняется от Х0 до X, а ее среднее значение равно X’.
Рисунок 2. Схема кристаллизации при затрудненной диффузии (Шредер А., Розе А. Металлография железа. ).
Такой вариант кристаллизации показан для сплава Al-Cu. На рис.3 показана структура этого сплава в литом состоянии, без какой-либо термической обработки. Белые участки – это участки дендритов, закристаллизовавшиеся первыми. В них можно различить дендритные оси 2-х порядков, состав их, конечно, может несколько отличаться, но по микроструктуре этого не видно. Кроме центральной белой можно выделить еще 2-3 зоны внутри каждого зерна по цвету. На увеличенной фотографии видно несколько лучше (рис.3,б). Кристаллизация шла вокруг первичного дендрита слоями. Всего визуально можно выделить 3 зоны (номера на рис. 3,б), плюс в границах (междендритное пространство) есть еще что-то.
 |  |
| а | б |
Рисунок 3. Дендритная ликвация в сплаве Al-4%Cu.
Если диффузия растворенного вещества в твердом теле пол¬ная, то затвердевание сплава протекает по законам бинарных диаграмм состояния (рис.4.). Первые зародыши с содержанием раство¬ренного вещества Х0 показаны схематически на рис. 4, б. Во время роста из них образуются кристаллы, обогащенные раство¬ренным веществом. Так как растворенное вещество быстро диффундирует по всему твердому телу, кристаллы всегда химически однородны и содержание в них растворенного вещества дается кривой солидуса S. При этом структура сплава более однородна и дендритной ликвации не видно (рис.5).
Рисунок 4. Схема кристаллизации при полной диффузии.
Рисунок 5. Структура силумина Al-5%Si; литье в кокиль
Микроликвация в стали 40ХН2МА показана на рис. 6. После литья сталь охлаждали достаточно быстро. В результате сформировались дендриты со структурой видманштетта (рис.6,а). В междендритных пространствах сконцентрировались примеси, в данном случае сульфиды (рис.6,б).
 |  |
| а | б |
Рисунок 6. Ликвация в стали 40ХН2МА.
Чем плоха такая структура? После деформации, как правило, формируются волокна, вытянутые вдоль направления деформации (рис. 7,а). Этот дефект носит название полосчатость. Полосы разного цвета – это полосы разного состава. В процессе деформации между ними могут формироваться трещины (рис. 7,б).
 |  |
| а | б |
Рисунок 7. Структура стали 40ХН2МА после осадки (а) и трещины, сформировавшиеся в процессе деформации.
Как бороться с ликвацией? Можно при помощи гомогенизирующего отжига. Ниже показана структура сплава после гомогенизации, закалки и старения. Ликвацию можно снизить (рис.8,а), а можно и практически убрать (рис.8,б). В последнем случае зерна сплава имеют несколько разный цвет. Это уже не ликвация. Зерна по-разному ориентированы в пространстве, и, следовательно, окрашиваются травящим реактивом по-разному. Выделения по телу зерна – упрочняющая фаза состава CuAl2.
 |  |
| а | б |
Рисунок 8. Структура сплава Al-4%Cu после закалки по различным режимам и старения.
Дендритная ликвация в стали
2. УМЕНЬШЕНИЕ СТЕПЕНИ ДЕНДРИТНОЙ ИЛИ ПОЛОСЧАТОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ГОМОГЕНИЗАЦИИ
Как было указано выше, основной причиной развития дендритной химической неоднородности стали является недостаточность диффузии в твердом состоянии с момента образования твердой фазы. Неполнота диффузии технологически неизбежна и не компенсируется в процессе охлаждения, потому что со времени наполнения изложницы жидким металлом подвод тепла исключается, температура снижается, а интенсивность диффузии соответственно падает в логарифмической зависимости от температуры.
Таким образом, в результате кристаллизации в слитке всегда имеет место значительная дендритная химическая и структурная неоднородность. Так как причиной ее образования является неполнота диффузии в твердой фазе в момент кристаллизации, в технологии последующего передела надо создавать условия, предельно благоприятствующие диффузии, т. е. подвергать сталь гомогенизирующей термической обработке (длительные выдержки при высоких температурах) или соблюдать определенную длительность томления при высоких температурах в процессе передела (особенно при нагреве стали под механическую обработку). Конечно, при этом совершенной полноты гомогенизации добиться нельзя, но благодаря тому, что диффузионные процессы во времени следуют квадратичной зависимости, именно первые часы, а может быть, даже минуты диффузионного томления стали должны быть верно оценены.
Гомогенизация как элемент технологии металлургического производства, в особенности применительно к легированным сталям, уже давно привлекает к себе внимание.
В 1926 г. Ф. Лейтнер рекомендовал гомогенизацию слитков хромоникелевой стали как средство борьбы с пороками в прокатанном металле [175].
М. В. Приданцев и Б. Е. Шейнин [176] исследовали влияние гомогенизации слитков хромоникельвольфрамовой стали на ряд качественных характеристик поковок.
Е. Р. Джонсон и В. И. Бюклинг [177] изучали влияние гомогенизации заготовки хромрмолибденовой трубной стали SAE4130X на полосчатую структуру готовых труб. В результате дополнительного нагрева в течение 7 час. при 1200° отчетливо уменьшалась полосчатая неоднородность стали.
В. Д. Садовский [123] приводит опыты по гомогенизации (при 1200— 1250° в течение 16 час.) стали 37XH3A. Методом обычного микроанализа после специальной термической обработки, при которой используется влияние углерода на точку М, автор показывает существенное уменьшение структурной неоднородности стали в результате гомогенизации.
О. Вернер [161] изучал природу грубых ферритных скоплений в полосовой низколегированной конструкционной стали. Образование такой микроструктуры автор связывает с дендритной ликвацией в исходном слитке и указывает, что диффузионным отжигом при 1150° в течение 24 час. устраняется этот дефект.
П. А. Дудовцев [121], изучая интервалы перлитного распада аустенита в слитке, отмечает, что гомогенизация даже в течение 4 час. при 1100° значительно сглаживает дендритную неоднородность.
Лавендер и Джонс [141] исследовали влияние процесса гомогенизации на полосчатость микроструктуры прокатанной стали, обусловленную дендритной неоднородностью слитка. Сталь четырех марок подвергали гомогенизации в течение 2 час. при 1270, 1300 и 1350°. Авторы указывают на отчетливое уменьшение полосчатой неоднородности стали.
К. А. Осипов и С. Г. Федотов [142] с помощью микрорентгенографического анализа исследовали дендритную неоднородность распределения вольфрама, молибдена, ниобия, титана и тантала в никелевом твердом растворе и влияние на эту неоднородность гомогенизации в течение· 96 час. при 1100°. И после такого длительного процесса гомогенизации, как отмечают авторы, дендритная неоднородность сплавов все еще отчетливо различима.
В. И. Архаров [178] в обзорной работе по проблемам диффузии замечает: «Есть экспериментальные данные, показывающие, что микроликвационные неоднородности оказываются гораздо устойчивее против гомогенизационных отжигов, чем это принято думать».
Рассмотрев механизм формирования дендритной химической неоднородности стали, автор указывает возможность ее уменьшения в процессе гомоген1из’а1ЦИ1и при 1200—1250°.
А. Кон [180] исследовал влияние гомогенизации на уменьшение степени дендритной ликвации фосфора и мышьяка. Гомогенизация осуществлялась при 1125, 1200 и 1275° продолжительностью от 4 до 70 час.
Автор показал, что по мере повышения температуры и увеличения длительности процесса гомогенизации дендритная неоднородность стали убывает, но даже после 70 час. при 1200° и 32 час. при 1275° некоторая неоднородность распределения фосфора и мышьяка все еще наблюдается.
А. Кон указывает на уменьшение неоднородности уже при обычном нагреве стали для горячей механической обработки. Опытным путем им установлено, что диффузия фосфора активнее диффузии мышьяка, а присутствие других элементов в пределах обычной легированности стали на эффективности гомогенизации (по отношению к фосфору и мышьяку) не сказывается.
Особенно велико значение гомогенизации при производстве легированных сталей, когда степень дендритной неоднородности слитка носит выраженный характер, имеется заниженная активность диффузионных процессов и, наконец, качественные характеристики продукции приобретают исключительное значение.
Теперь в некоторой мере может быть количественно оценена роль гомогенизации применительно к производству легированных сталей.
Несомненно, процесс гомогенизации и для слитка, и для блума протекает весьма затрудненно, и добиться полной однородности или полного устранения дендритной (полосчатой) структуры можно лишь за время, превышающее сотни часов при температурах 1200° и выше.
Но, несомненно, диффузионный процесс выравнивания концентрации в пределах дендрита (или полосы) идет, и это свободно улавливается даже обычным микроанализом (рис. 42).
В соответствии с законами диффузии и приведенными данными можно утверждать следующее.
Большая трудность количественной оценки степени дендритной ликвации в прошлом почти исключала возможность количественно оценить эффект процесса гомогенизации. Возможность такой оценки появилась в результате использования микрорадиографии.
Можно привести последнюю работу А. Кона [182]. Чтобы количественно оценить дендритную и полосчатую неоднородность распределения фосфора, автор изучал радиографические снимки с помощью специально приспособленного и отградуированного микрофотометра. Он оценивал предельную разность потемнения пленки. Автор не решается судить о количестве фосфора в каждой точке, но указывает на возможность использования отношений плотности затемнения как меру степени дендритной неоднородности.
Обобщая результаты определений, он указывает на очень большую дендритную неоднородность сталей по фосфору и на высокую эффективность процесса гомогенизации, особенно в связи с горячей деформацией.
В своей работе мы сочли возможным дать количественную оценку процессу гомогенизации только по тем элементам, степень дендритной ликвации которых наибольшая и методы определения достоверные.
3. ДЕНДРИТНАЯ (ПОЛОСЧАТАЯ) ХИМИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ И КАЧЕСТВО СТАЛИ
Теоретический и экспериментальный материал предшествующих разделов свидетельствует о значительной дендритной неоднородности стали и ее устойчивости в процессе металлургического производства. Можно утверждать, что каждая стальная деталь, инструмент, любое стальное изделие в условиях эксплуатации всегда сохраняет большую или меньшую степень такой дендритной или волокнистой химической неоднородности.
Естественно, что такая неоднородность неотъемлема от самого существа, самой природы стали и проявляется в многочисленных качественных и эксплуатационных характеристиках стальных изделий, а в ряде случаев имеет решающее техническое значение.
Дополнительно следует отметить, что если дендритная неоднородность отчетливо выражена и имеет значение даже для углеродистых марок стали, то применительно к производству и использованию легированных сталей она приобретает особое значение. Это определяется двумя обстоятельствами.
С одной стороны, процессы ликвации в исходном слитке приводят к обогащению отдельных участков объема одновременно несколькими элементами, такими как углерод, хром, молибден, вольфрам, сера, фосфор и др., ликвация которых, как показано выше, развивается в одном направлении. Известно, что совместное влияние двух или трех элементов на структурные характеристики стали (например, на закаливаемость) не складывается арифметически, а часто подчеркивается многостепенно. Таково, например, совместное влияние хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена на кинетику распада аустенита, или хрома и кремния на устойчивость α-фазы и т. п.
В результате этого дендритная ликвация в легированных сталях часто приводит к столь резкой разности концентраций) группы элементов, что перлитные участки в стали сочетаются с мартенситными (45Г2, ХВГ), доэвтектоидные — с заэвтектоидными (45ХНМФА, 60ХНМ), заэвтектоидные—с ледебуритными (X, ХГ, В1). Примеры микроструктур ной неоднородности легированной стали, определяемой дендритной ликвацией углерода и легирующих элементов, приведены на рис. 44—47.
Несомненно, структурная неоднородность стали является только внешним проявлением большой разности физико-химических свойств участков объема стали, не одинаково легированных. Особое значение полосчатой неоднородности легированных сталей определяется тем, что вследствие расходов и трудностей производства, вызываемых добавками легирующих элементов, от стали надо добиться повышенного качества при испытаниях и эксплуатации.
По этим причинам изучение и методы регулирования степени дендритной неоднородности имеют особое значение при производстве легированных качественных сталей.
В связи с исходной дендритной неоднородностью представляет интерес всестороннее изучение механических свойств конструкционных ста лей и состояния или распределения карбидной фазы в инструментальных сталях.
Как будет показано ниже, дендритная или полосчатая химическая неоднородность стали проявляется при самых разнообразных видах испытания металла, а также в технологии его производства, конечной обработке и эксплуатации.
ДЕНДРИТНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ И КАЧЕСТВО КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
1. ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ ТЕЛ
Основным критерием качества конструкционных сталей служат механические свойства, характеризующие прочность металла. Вопросы прочности металла составляют большой самостоятельный раздел металлофизики.
Определенными этапами в развитии теории прочности явились работы А. Ф. Иоффе [183, 1841 (переход материала из вязкого состояния в хрупкое в связи с «дефектами» поверхности и температурой испытания), Η. Н. Давиденкова [185] (оценка влияния скорости деформации на характер разрушения металлов), А. А. Ильюшина [186], И. А. Одинга [187], Я. Б. Фридмана [188], П. О. Пашкова [189].
Длительное время для анализа деформации и разрушения металлов при разных видах нагружения (разрыв, изгиб, срез, скручивание и т. п.) и состояниях металла использовали различные теории прочности.
Одним из критериев правильности теории прочности должно быть соответствие замеряемой прочности металлов при испытании на разрыв и прочности, рассчитанной на основе сил притяжения между атомами, или энергии, необходимой для отрыва атомов кристаллической решетки.
Такие расчеты показывают [99], что теоретическая прочность металла почти в 100 раз выше технической прочности.
Это объясняется концентрацией напряжений у поверхностных или внутренних дефектов строения металла [99], или, наоборот, уменьшением прочности металла под влиянием таких дефектов.
Необходимо, таким образом, при рассмотрении технической прочности, считаться со случайной (статистической) или организованной (закономерной) неоднородностью строения реальных металлов.
Наиболее полная разработка значения неоднородности металла при его хрупком и пластическом разрушении дана в статистической теории прочности, предложенной Т. А. Канторовой и Я. И. Френкелем в 1941 г [190].
В начале авторы имели в виду только хрупкую прочность при разрыве, но затем распространили эту теорию и на случай неоднородно-напряженного состояния — изгиб и кручение [191].
Статистическая теория прочности связана с так называемым масштабным фактором. При испытаниях металла на разрыв, изгиб, скручивание и усталость [187, 192] относительная хрупкая прочность металла убывает по мере увеличения сечений испытуемых образцов, т. е. не сохраняется основной закон геометрического и механического подобия.
Численно этот эффект неизменно выявляется при каждом серийном испытании и теперь не подлежит сомнению [187, 188, 193, 194].
Это явление можно объяснить при помощи статистической теории прочности.
Количественное решение вопроса статистической теорией прочности основывается на следующих предпосылках:
Математическое решение задачи оправдывает масштабный фактор,
При дополнительной разработке теории Т. А. Канторова [191] приняла еще во внимание неравномерность распределения напряжений по сечению образца. И, таким образом, причина разрушения была отнесена к наиболее «опасному» дефекту в самом напряженном участке. Следовательно, в основу статистической теории хрупкой прочности положен принцип, по которому прочность всего образца определяется прочностью самого слабого места. В металле такие дефекты всегда имеются в силу неоднородности структуры [195]. Таким образом, достаточно общепризнанным является такой механизм разрушения, когда первоначально в объеме металла разрушается «дефект». Начало разрушения можно представить себе в виде трещинок, расположенных внутри деформированного объема тела [189]. Такой же механизм разрушения образца при разрыве предлагает в своем исследовании хрупкой прочности Б. Я. Пинес [196]. Рассматривая природу дефектов, Б. Я. Пинес полагает, что их происхождение относится главным образом к периоду кристаллизации.
Влиянию структуры металла на так называемые предельные механические состояния посвящена специальная работа Η. Ф. Лашко [197J.
Киз, Суливан и Ирвин (по данным [198]), также показывают, что общему разрушению металлов всегда предшествует образование поперечных мелких разрывов в слабых местах объема твердого тела.
Механизм развития такой микропоры или трещины рассматривается в одной из последних работ И. А. Одинга и В. С. Ивановой [198].
Таким образом, разрушение металла при разрыве за счет возникновения в отдельных областях объема образца микротрещин и их последовательного развития можно принять достоверным.
Значительное внимание исследователей было обращено на выявление или уточнение природы этих дефектов или микроучастков, в которых в первую очередь возникают разрушения.
В этой связи прежде всего были изучены поры и экзогенные включения в реальных моно- и поликристаллах. Затем в исследованиях было уделено значительное место изучению структурной и физико-химической неоднородности, присущей металлу и соответствующей самой его природе.