Межкристаллитный перелом
Межзеренный разрушение , межзеренное растрескивание или межзеренное охрупчивание возникает, когда трещина распространяется вдоль границ зерен материала, обычно когда эти границы зерен ослаблены. [ 1 ] Чаще всего наблюдается транскристаллитный перелом , который возникает, когда трещина прорастает сквозь зерна материала. По аналогии, в кирпичной стене межкристаллитное разрушение будет соответствовать разрушению, происходящему в растворе, скрепляющем кирпичи.
Межкристаллитное растрескивание может возникнуть при неблагоприятном воздействии окружающей среды, чему способствуют более крупные размеры зерен и более высокие напряжения. [ 1 ] Межкристаллитное растрескивание возможно в широком диапазоне температур. [ 2 ] В то время как транскристаллическому растрескиванию способствует локализация деформации (которой, в свою очередь, способствует меньший размер зерен), межзеренному разрушению способствует гомогенизация деформации, возникающая из-за крупных зерен. [ 3 ]
Охрупчивание или потеря пластичности часто сопровождается изменением режима разрушения с транскристаллитного на межкристаллитный. [ 4 ] Особенно существенен этот переход в механизме охрупчивания примесных атомов. [ 4 ] Кроме того, водородное охрупчивание является распространенной категорией охрупчивания, при которой можно наблюдать межкристаллитное разрушение. [ 5 ]
Межзеренное разрушение может возникать в самых разных материалах, включая стальные сплавы, медные сплавы, алюминиевые сплавы и керамику. [ 6 ] [ 7 ] [ 3 ] В металлах с несколькими ориентациями решетки , когда одна решетка заканчивается и начинается другая, разрушение меняет направление, следуя за новым зерном. В результате излом выглядит довольно неровным, с прямыми краями зерен и блестящей поверхностью. В керамике межзеренные трещины распространяются через границы зерен, образуя гладкие неровные поверхности, на которых зерна можно легко идентифицировать.
Механизмы межкристаллитного разрушения
[ редактировать ]Хотя межкристаллитное растрескивание легко идентифицировать, определить его причину сложнее, поскольку механизмы более разнообразны, чем при транскристаллитном разрушении. [ 6 ] Существует несколько других процессов, которые могут привести к межзеренному разрушению или преимущественному распространению трещин по границам зерен: [ 8 ] [ 6 ]
- Зарождение и коалесценция микропустот во включениях или частицах второй фазы, расположенных вдоль границ зерен.
- Образование трещин и полостей на границах зерен, связанных с условиями разрушения под напряжением при повышенных температурах
- Декогезия между соседними зернами из-за присутствия примесных элементов на границах зерен и в сочетании с агрессивной атмосферой, такой как газообразный водород и жидкие металлы.
- Процессы коррозионного растрескивания под напряжением, связанные с химическим растворением по границам зерен.
- Условия циклической нагрузки
- Когда материал имеет недостаточное количество независимых систем скольжения для обеспечения пластической деформации между соседними зернами. Это также известно как межкристаллитное разрушение или разделение границ зерен.
- Более быстрая диффузия вдоль границ зерен, чем внутри зерен.
- Более быстрое зарождение и рост выделений на границах зерен
- Закалочное растрескивание или рост трещин после процесса закалки является еще одним примером межкристаллитного разрушения и почти всегда происходит в результате межкристаллитных процессов. [ 6 ] Этому процессу закалочного растрескивания способствуют ослабленные границы зерен и большие размеры зерен, а также влияние температурного градиента, при котором происходит закалка, и объемного расширения во время трансформации.
С энергетической точки зрения энергия, выделяемая при распространении межзеренной трещины, выше, чем предсказывает теория Гриффита , подразумевая, что дополнительный энергетический член для распространения трещины возникает из-за зернограничного механизма. [ 9 ]
Виды межкристаллитного перелома
[ редактировать ]Межкристаллитный перелом можно разделить на следующие виды: [ 6 ]
- Межзеренное разрушение с ямочками включает случаи, когда слияние микропустот происходит на границах зерен в результате ползучей кавитации или зарождения пустот в выделениях на границах зерен. Для такого излома характерны ямочки на поверхности. Межзеренный излом с ямочками обычно приводит к низкой макроскопической пластичности, при этом топология с ямочками выявляется на гранях зерен при наблюдении при больших увеличениях (от 1000 до 5000x). Примеси, адсорбирующиеся на границах зерен, способствуют образованию ямочек в межзеренном разрушении. [ 6 ]
- Межзеренное хрупкое разрушение включает случаи, когда на поверхности зерен нет ямочек, свидетельствующих о слиянии микропор. Такое разрушение называется хрупким из-за разрушения до пластической текучести. [ 4 ] Причины включают хрупкие частицы второй фазы на границах зерен, примеси или сегрегацию атомов на границах зерен , а также охрупчивание под воздействием окружающей среды. [ 6 ]
- Межкристаллитное усталостное разрушение включает случаи, когда интегрированное разрушение происходит в результате циклического нагружения или усталости . Этот специфический тип межзеренного разрушения часто связан с неправильной обработкой материалов или суровыми условиями окружающей среды, когда зерна сильно ослаблены. [ 6 ] Напряжение, приложенное при повышенных температурах (ползучесть), выделения на границах зерен, термическая обработка, вызывающая сегрегацию по границам зерен, а также ослабление границ зерен под воздействием окружающей среды могут привести к межзеренной усталости. [ 7 ]
Роль растворенных веществ и примесей
[ редактировать ]При комнатной температуре межзеренное разрушение обычно связано с изменением сцепления в результате сегрегации растворенных веществ или примесей на границах зерен. [ 10 ] Примерами растворенных веществ, которые, как известно, влияют на межзеренное разрушение, являются сера, фосфор, мышьяк и сурьма, особенно в сталях, свинец в алюминиевых сплавах и водород во многих конструкционных сплавах. [ 10 ] При высоких уровнях примесей, особенно в случае водородного охрупчивания , вероятность межзеренного разрушения выше. [ 6 ] Предполагается, что растворенные вещества, такие как водород, стабилизируют и увеличивают плотность вакансий, вызванных деформацией. [ 11 ] что приводит к образованию микротрещин и микропустот на границах зерен. [ 5 ]
Роль ориентации границ зерен
[ редактировать ]Межзеренное растрескивание зависит от относительной ориентации общей границы между двумя зернами. Траектория межзеренного разрушения обычно происходит вдоль границы зерна с наибольшим углом. [ 6 ] В ходе исследования было показано, что для границ с разориентировкой до 20 градусов, независимо от типа границы, никогда не наблюдалось растрескивание. [ 12 ] Под большими углами были видны большие области с трещинами, без трещин и смешанного поведения. Результаты подразумевают, что степень растрескивания границ зерен и, следовательно, межзеренного разрушения в значительной степени определяется граничной пористостью или величиной атомного несоответствия. [ 12 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Норман Э. Даулинг, Механическое поведение материалов, четвертое издание, Pearson Education Limited.
- ^ Чене, Дж.; Брасс, AM (2004). «Роль температуры и скорости деформации в межзеренном разрыве, вызванном водородом, в сплаве 600». Металлургические и сырьевые операции А . 35 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 457–464. Бибкод : 2004MMTA...35..457C . дои : 10.1007/s11661-004-0356-5 . ISSN 1073-5623 . S2CID 136736437 .
- ^ Перейти обратно: а б Лян, Флорида; Лэрд, К. (1989). «Контроль межкристаллитного усталостного растрескивания за счет однородности скольжения в меди I: влияние размера зерна». Материаловедение и инженерия: А. 117 . Эльзевир Б.В.: 95–102. дои : 10.1016/0921-5093(89)90090-7 . ISSN 0921-5093 .
- ^ Перейти обратно: а б с Томас Кортни, Механическое поведение материалов, второе издание, Waveland Press, 2000.
- ^ Перейти обратно: а б Нагумо, М.; Мацуда, Х. (2002). «Функция водорода в межкристаллитном разрушении мартенситных сталей». Философский журнал А. 82 (17–18). Информа UK Limited: 3415–3425. Бибкод : 2002PMagA..82.3415N . дои : 10.1080/01418610208240452 . ISSN 0141-8610 . S2CID 136615715 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж С. Лэмпман, Справочник ASM, Том 11: Анализ и предотвращение отказов, Межкристаллитное разрушение, ASM International, 2002. 641-649.
- ^ Перейти обратно: а б Брайант, CL; Банерджи, СК (1978). «Межзеренное разрушение в стали: роль зернограничного состава». Международные обзоры металлов . 23 (1). Информа UK Limited: 164–199. дои : 10.1179/imtr.1978.23.1.164 . ISSN 0308-4590 .
- ^ Ричард В. Герцберг, Ричард П. Винсим, Джейсон Л. Герцберги, Механика деформации и разрушения инженерных материалов, пятое издание, John Wiley and Sons Inc.
- ^ Фаркас, Д.; Ван Свигенховен, Х.; Дерлет, премьер-министр (1 августа 2002 г.). «Межзеренное разрушение в нанокристаллических металлах». Физический обзор B . 66 (6). Американское физическое общество (APS): 060101(R). Бибкод : 2002PhRvB..66f0101F . дои : 10.1103/physrevb.66.060101 . hdl : 10919/47855 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Перейти обратно: а б Томпсон, Энтони В.; Нотт, Джон Ф. (1993). «Микромеханизмы хрупкого разрушения». Металлургические операции А . 24 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 523–534. Бибкод : 1993MTA....24..523T . дои : 10.1007/bf02656622 . ISSN 0360-2133 . S2CID 136423697 .
- ^ Бениш, М.; Зехетбауэр, MJ; Кристиан, М.; Сетман, Д.; Крекснер, Г. (2011). «Стабилизация дефектов решетки в гидриде палладия, деформированном КВД». Форум по материаловедению . 667–669. Scientific.Net: 427–432. doi : 10.4028/www.scientific.net/MSF.667-669.427 . S2CID 96371751 .
- ^ Перейти обратно: а б Рат, Б.Б.; Бернштейн, ИМ (1971). «Связь между зернограничной ориентацией и межзеренным растрескиванием». Металлургические операции . 2 (10). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 2845–2851. Бибкод : 1971MT......2.2845R . дои : 10.1007/bf02813262 . ISSN 0360-2133 . S2CID 136503193 .