Пластическое трение и разрушение

Об изменении механических свойств материала можно судить по их обратимости и зависимости от времени. Упругая реакция материала является мгновенной и обратимой; неупругая — обратимой и зависящей от времени; наконец, пластическая — необратимой и зависящей от времени. В аморфных сплавах пластическая деформация проявляется двумя различными путями:

1. Гомогенное течение, при котором каждый элемент материала подвергается деформации, что приводит к однородной деформации однородно нагруженного образца.

2. Негомогенное (гетерогенное) течение, при котором деформация локализована в дискретных тонких полосах скольжения, а основной объем материала свободен от пластической деформации.

Два вышеупомянутых типа пластической деформации проиллюстрированы на рис. 12.1 в виде схематичной карты механизмов деформации, введенной Эшби и развитой Фростом и Эшби для кристаллических материалов. На этой карте отложены контуры постоянных значений установившейся скорости деформации у в зависимости от напряжения т и температуры, которые нормированы соответственно на модуль сдвига u и температуру плавления Tm. Для аморфных металлов более физически оправданным является использование в качестве нормировочного параметра температуры стеклования. Области, в которых доминирует каждый из механизмов деформации, показаны на рис. 12.1. Основной механизм деформации у(т, Т) можно определить путем сопоставления расчетных и экспериментальных карт.

Установившийся характер течения, описываемый рассматриваемыми картами, требует, чтобы атомная структура материала, особенно конфигурация и число дефектов, были или функцией напряжения и температуры, или по крайней мере постоянными и вполне определенными для всей карты. В случае кристаллических материалов это требует знания относительно хорошо определенных микроструктурных параметров, таких как размер зерна. Особенность аморфных сплавов состоит в том, что они находятся в термодинамически неравновесном состоянии. Вследствие этого они непрерывно изменяют свою структуру по мере достижения состояния с более низкой свободной энергией. Этот процесс структурной релаксации влияет на все физические свойства, но наиболее радикально на свойства, связанные с атомным массопереносом. Это обстоятельство наиболее важно в случае гомогенного течения, при изучении которого особое внимание следует уделить тому, чтобы все данные на карте были изоконфигурационными, т. е. соответствовали одному и тому же состоянию при отжиге. Негомогенное течение в значительно меньшей степени чувствительно к структурной релаксации, поскольку, как будет показано ниже, атомная структура в полосе сдвига является функцией напряжения и температуры и на стадии установившейся деформации не зависит от исходной структуры.

Гомогенное течение происходит при низких напряжениях (т меньше u/100) и исследуется в экспериментах на ползучесть или релаксацию напряжений. При сравнительно низких напряжениях течение является ньютоновским (у~т), при котором можно определить сдвиговую вязкость n=т/у. Результаты этих измерений для ряда аморфных сплавов будут рассмотрены ниже, причем особое внимание будет уделено кинетике непрерывного возрастания вязкости, которое обусловлено структурной релаксацией, а также явлению неньютоновского течения и его интерпретации на атомном уровне. В этом отношении особенно полезным является пропорциональность вязкости коэффициенту диффузии.

Негомогенное течение происходит при высоких напряжениях (т больше u/50) и низких температурах (T меньше 0,7Tg) и наблюдается при исследовании растяжения, твердости и при холодной деформации (прокатке и волочении). Такое течение нечувствительно к скорости деформации и демонстрирует отсутствие деформационного упрочнения (т.е. почти идеальную пластичность), а также очень слабую зависимость от температуры. Поскольку феноменология этого типа пластического течения описана ранее, обсудим здесь в основном различные микроскопические механизмы с макроскопическими условиями локализации течения в полосах сдвига.

Хотя локальная пластическая деформация в полосе сдвига очень высокая, суммарная деформация определяется числом полос сдвига, которое в свою очередь зависит от геометрических факторов, ограничивающих процесс деформации. Например, при прокатке или волочении обжатие может достигать 50%. Однако при испытаниях на растяжение активизируется лишь несколько полос сдвига, и разрушение происходит уже после начала пластического течения. Общая пластическая деформация в этом случае составляет только несколько десятых процента, что делает кривую напряжение — деформация похожей на таковую для хрупкого материала. Тем не менее мы будем относить процесс разрушения, которому предшествовала пластическая деформация, к вязкому, поскольку он осуществляется вдоль полосы сдвига (не по нормали к оси растяжения) и формирует венообразный узор на поверхности разрушения, который характерен для интенсивной пластической деформации. В дальнейшем будет показано, что этот процесс разрушения является частным случаем проявления нестабильности, тип которой впервые описан в работах Тейлора.

Некоторые аморфные сплавы, особенно сплавы на основе железа, при низких температурах или после отжига не соответствуют механизму хрупкого разрушения, плоскость которого располагается по нормали к оси растяжения и характеризуется гладкой поверхностью. Понимание этого явления на атомистическом уровне далеко до завершения, однако мы рассмотрим, каким образом некоторые идеи, связанные с гомогенным и негомогенным пластическим течением, могут дать толчок к пониманию проблемы хрупкого разрушения.