Межзеренный разрушение , межзеренное растрескивание или межзеренное охрупчивание возникает, когда трещина распространяется вдоль границ зерен материала, обычно когда эти границы зерен ослаблены. [1] Наиболее часто встречающийся транскристаллитный перелом 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 транскристаллитному растрескиванию способствует локализация деформации (которой, в свою очередь, способствует меньший размер зерен), межзеренному разрушению способствует гомогенизация деформации, возникающая из-за крупных зерен. [3]
Межзеренный разрушение, возникающее в результате распространения трещин по границам зерен.
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 произойти 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
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.
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
Межкристаллитный перелом можно разделить на следующие категории: [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, вызванное 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, возникающее 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
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
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 растрескивание никогда не наблюдалось на границах с разориентировкой до 20 градусов, независимо от типа границы. [12] При больших углах 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]
^ ab 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.
^ Аб 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.
^ abc Томас Кортни, Механическое поведение материалов, второе издание, Waveland Press, 2000.
^ аб 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.
^ abcdefghij С. Лампман, Справочник ASM, Том 11: Анализ и предотвращение отказов, Межкристаллитное разрушение, ASM International, 2002. 641-649.
^ аб 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. doi : 10.1103/physrevb.66.060101. hdl : 10919/47855 . ISSN 0163-1829.
^ Аб 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.
^ Аб Рат, BB; 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.
