книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

сопровождающаяся дроблением блоков и появлением микроиска­ жений кристаллической решетки. При этом выяснено, что в ос­ новном при разрушении происходит дробление субструктуры и блоков мозаики, а микроискажения ничтожно малы [355, 356]. Во всех известных нам работах [349, 352, 357, 358] степень пла­ стической деформации в изломе оценивается в 1—6%. Недоста­ ток этих работ состоит в сопоставлении деформации при изломе с пластической деформацией при статическом растяжении. От­ мечается, что пластическая деформация локализуется в довольно тонком поверхностном слое, уменьшающемся с понижением тем­

рассматривалась степень совершенства поверхностных слоев. Зафиксировано распределение дислокационных полупетель, про­ ходящих близко над поверхностью, и изучено строение субгра­ ниц и полос скольжения.

Структуру поверхности разрушения окиси алюминия изучали в работе [361] при помощи рентгеновского микропучка в режиме двойного кристалл-спектрометра. Область, прилегающая к тре­ щине и охваченная пластической деформацией, подразделяется на две зоны. В первой из них глубиной 10 мкм (половина диа­ метра зерна) протекает базисное и внебазисное скольжение. Во второй зоне (10—60 мкм) искажения незначительны и связаны преимущественно с базисным скольжением.

Наблюдениями структуры скола в цирконе [362] при помощи просвечивающего электронного микроскопа обнаружены дисло­ кационные петли и сетки в области 1000 А перед трещиной.

В хлористом натрии глубина проникновения пластической деформации оказалась равной 20 мкм [363].

Следует отметить работы Холдена, Фроста и Филлипса [364, 365] по рентгенографическому исследованию поверхности разру­ шения, вскрывшейся после прохождения усталостной трещины. Объектом исследования служили медь, железо, алюминий, ма­ лоуглеродистая и нержавеющая стали. Рассматривалось движе­ ние медленной усталостной трещины в зависимости от числа циклов. Поверхность разрушения изучали с помощью метода микропучка, разработанной ранее Хиршем и Келларом [366].

122

Диаметр микропучка составлял 50 мкм. Установлено образова­ ние перед магистральной трещиной многих мелких трещинок на включениях или на существующих внутренних поверхностях. Обнаружено, что при больших переменных пластических дефор­ мациях Дислокации, присутствующие в алюминии и железе, ведут к образованию субзеренных границ. При этом разориентировка элементов субструктуры может превышать 13°, стре­ мясь к Некоторому пределу, отвечающему моменту, когда у гра­ ницы субзерна образуется трещина. Наиболее развитая субструктура и наибольшая разориентировка достигаются непо­ средственно на поверхности разрыва при медленном движении трещины. Интересно, что плотность дислокаций в поверхности разрыва и на границах субзерен составляет 2-f-3* 1010 смг1, в то время как внутри зерна она равна лишь 1 • 107 см~2.

3.СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИНЫ

ИПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ

На вопрос о том, существует ли корреляция между скоростью распространения трещины и пластической деформацией в ее вер­ шине, в целом следует ответить положительно, хотя, как будет видно из дальнейшего, необходимы серьезные дополнительные исследования.

Для выяснения природы явления нужно проанализировать виды деформации, происходящей при разрушении. Принципи­ ально возможны три типа пластической деформации, различаю­ щиеся по происхождению и по характеру влияния на кинетику разрушения: 1 ) предшествующая деформация; 2) сопутствую­ щая; 3) деформация вскрывшихся полостей трещины.

Предшествующая деформация зависит от вида напряжен­ ного состояния и представляет собой макроскопическое измене­ ние металла. Распространяется она в виде волн. Деформация этого вида, определяясь условиями испытания и геометрией образца, не зависит от возникающей впоследствии трещины. Создаваемое ею поле искажений решетки, в каком бы виде оно не появлялось, способствует последующему разрушению. Дейст­ вительно, как показывает прямой эксперимент, распространение пластической волны при изгибе надрезанного образца ведет к покрытию дна надреза тонкой сетью микротрещин. Последую­ щий рост магистральной трещины протекает в пределах дефор­ мированной зоны путем объединения мелких трещин и разрыва перемычек между ними.

Деформация второго типа — сопутствующая — протекает од­ новременно с ростом трещины и обусловлена ею. В процессе этой деформации под действием концентрации напряжений воз­ никают и перемещаются дислокации, происходят разворот и из­ гиб зерен, а также разориентировка элементов субструктуры

123

в них. В целом эти процессы приводят к появлению микротре­ щин, определяющих возможность дальнейшего роста основной трещины. Таким образом, трещина и сопутствующая ей дефор­ мация взаимно обусловлены.

Какого вида деформация наиболее важна для роста тре­ щины? Предшествующая деформация, упрочняя металл и спо­ собствуя образованию в нем изобилия дефектов и трещин, со­ здает фон для разрушения. Величина его определяет необходи­ мость и степень дальнейшего развития сопутствующей деформации. Вершина трещины может либо оказаться в участке металла, лишенном дефектов, необходимых для дальнейшего роста, либо выйти на границу зерна, неудачно ориентированного для разрушения. Тогда получает развитие сопутствующая де­ формация, которая создает условия для дальнейшего распрост­ ранения разрушения. Поэтому можно считать, что эти оба вида деформации дополняют друг друга 1: предшествующая решает стратегические задачи, а сопутствующая — оперативные.

Деформация вскрывшихся полостей трещины (третьего вида) может возникать либо вследствие механического их изгиба, либо в связи с движением по трещине поверхностных упругих им­ пульсов. Роль этой деформации в процессе разрушения предста­ вляется второстепенной.

Каким образом перечисленные выше виды деформации мо­ гут зависеть от скорости роста трещины?

Предшествующая деформация, распространяющаяся в виде волны и опережающая трещину, не зависит от скорости ее роста. «Задача» этой деформации — создать минимальный уровень искаженности и разрыхленное™ металла. По-видимому, исход­ ной следует считать скорость трещины, которая может возрас­

волны. Физически это означает, что увеличение запаса энергии трещины позволяет ей расти в менее деформированной среде. Уменьшение величины предшествующей деформации зарегист­ рировано в работе2 при проведении скоростной киносъемки.

По мере роста скорости распространения трещины должна ослабляться и сопутствующая деформация в вершине трещины. При этом ее удельный вес по сравнению с предшествующей и ее локальность предположительно должны расти.

Если кинематографические данные об изгибе образца прямо •свидетельствуют о предшествующей деформации, то рентгено­ графическое исследование поверхности излома дает интеграль­ ный результат действия трех видов деформации (реально —

1 При медленном разрушении различие между предшествующей и сопут­ ствующей деформациями может стереться.

2 См. сноску на стр. 89.

124

двух). Локализованный характер деформации, проявляющийся с ростом скорости разрушения, свидетельствует о протекании, наряду с предшествующей, сопутствующей деформации, сосре­ доточенной в отдельных очагах.

В. М. Финкель и А. М. Савельев [283] рассмотрели деформа­ цию поверхности раскола при разрушении изгибом трансформа­ торной стали. Для получения крупного зерна (1—3 мм) пла­ стины отжигали при 1100° С в течение 12 ч. В связи с мягкостью напряженного состояния и, следовательно, большой предшест­ вующей деформацией последняя регистрировалась интегрально с сопутствующей.

Рентгенографическому исследованию подвергали поверхность излома разрушенных образцов в точках, отвечающих различ­ ным скоростям движения трещины. Был использован разрабо­ танный В. М. Финкелем и В. Н. Березовским [369] метод в ва­ рианте микропучка [368]. Сущность его заключается в обратной съемке крупнозернистого образца, связанно качающегося с кас­ сетой. При этом в одном из направлений рентгеновский пучок имеет микроскопические размеры. Сочетание весьма большой (10—15°) сходимости пучка с чрезвычайно малой (3') позво­ ляет, с одной стороны, наблюдать полный диапазон ориентации большого числа кристаллитов, с другой — разделять элементы их субструктуры.

Кристаллиты исходного материала имеют очень разнообраз­ ное фрагментарное строение. Обнаружены зерна с числом фраг­ ментов от 1—2 до нескольких десятков.

Результаты подсчета показали, что большинство зерен транс­ форматорного железа состоит из небольшого числа фрагмен­ тов, %:

Полная разориентировка кристаллита колеблется для боль­ шинства зерен в пределах 0,25—0,50°, достигая в отдельных пят­ нах 1,0°. Угол взаимной разориентировки фрагментов состав­ ляет 3—9, реже 9—18'

На поверхности излома выбирали точки, скорости роста тре­ щин в которых менялись в пределах от 40 до 1000 м/сек. Изу­ чали следующие характеристики: полную разориентировку кри­ сталлитов, максимальную разориентировку составляющих их фрагментов, количество пластически деформированных зерен, количество пятен с разориентировкой в пределах 3—6 и 10—13' С помощью интерференционной микрофрактографии оценивали величины фасеток в изломе. Результаты исследования приве­ дены на рис. 52.

125

Пластическая деформация зерна рентгенографически прояв­ ляется в размазывании отвечающего ему пятна с образованием облака повышенной интенсивности, постепенно переходящего в фон. При этом межфрагментные расстояния возрастают, а не­ которые из максимумов, отвечающих фрагментам, расплывщотся, превращаясь в ореол—облако. В той или иной форме пластическая деформация была зарегистрирована при любых скоростях роста трещин, однако в количественном отношении выявилось очевидное ее уменьшение с увеличением темпа дви-

vmp,м/сек

Рис. 52. Результаты рентгеноструктурного исследования пара­

в уменьшении в четыре раза относительного количества пласти­ чески деформированных зерен. Если при скорости 40 м/сек почти все рефлексы окружены облаками повышенной интенсив­ ности, то при 1000 м/сек на рентгенограмме наряду с явно де­ формированными областями выявляются слабо или совсем не деформированные. Субструктура при малых скоростях такая же, как и при однородной пластической макродеформации. Явления при больших скоростях скорее напоминают деформацию, про­ шедшую весьма локализованно и в ограниченном числе участ­ ков.

126

По меРе роста скорости трещины количество зерен с разорие^тироЯКой фрагментов в пределах 3—6 и 10—30' возра­ стет, а Полный диапазон ориентаций в зерне и максимальная отМеченнИЛ разориентировка фрагментов падают. Размер субзер^н и диапазон их разброса со скоростью возрастают. Малые величины фасеток при низких скоростях свидетельствуют о боль­ шой и однородной деформации в зоне растущей трещины. По мере ускорения трещины разброс возрастает в связи с лока­ лизованном характером деформации и общим ее ослабле­ нием.

Приведенные рентгенографические результаты находятся в Качественной связи с данными по замеру деформации в точке движения вершины трещины. Тем не менее этот вопрос очень не прост, а Указанная корреляция отнюдь не однозначна. Дело в том, что деформация, предшествующая разрушению, была велйка и в Значительной степени маскировала процессы, обуслов­ ленные самой трещиной. Представляло интерес провести иссле­ дование роста трещин и трансформаторной стали при более жестком напряженном состоянии — динамическом разрыве — с Использованием высокоскоростной киносъемки (до 120 000 кад­ ров в секунду).

В целях изучения зависимости степени совершенства поверх­ ности скола отдельного кристаллита от скорости трещины про­ водили ее исследование методом двойного кристалл-спектро­ метра на установке УРС-50И. В качестве монохроматора ис­ пользовали кристалл NaCl. По толщине рентгеновский пучок никакими щелями не ограничивали, но по высоте коллимиро­ вали с тем, что его размеры не превышали величину кристал­ лита. Перед исследованием кристаллит крепили пластилином на гониометрической головке и устанавливали с помощью освети­ теля и микроскопа так, чтобы поверхность скола [плоскость (100)] была вертикальной. Использовали излучение СоКа-

Изучали [203] кристаллиты со скоростями трещины 100, 120, 660, 1200 и 1300 м/сек. Результаты исследования приведены на рис. 53 в виде кривых зависимости интенсивности в импульсах от угла поворота кристаллита. Можно видеть, что среднестати­ ческая разориентировка (на половине высоты кривой) с ростом скорости трещины убывает от Г15' при 120 м/сек до 45' при 1300 м/сек. Это говорит о том, что со скоростью трещины сте­ пень совершенства поверхности разрушения возрастает, не­ смотря на то что при этом появляются крупные ступени, изгиб поверхности и разворот смежных фасеток.

В целях исключения предшествующей деформации В. М. Финкель и И. А. Куткин [198] провели опыты по взрывному расколу галоидных кристаллов. Степень деформированности поверхно­ сти разрушения определяли рентгенографическим методом двой­ ного кристалл-спектрометра. Применялась схема с параллель­

127

ным расположением кристаллов. Исследование проводки на излучении СоКа ионизационным методом на установке УрС-50И. Монокристаллы устанавливали на гониометре так, чтобы можно было поочередно исследовать участки с различными скоростями трещины. В качестве монохроматора использовали кристалл ка­ менной соли. Для определения расходимости рентгеновского пучка применяли кальцит.

Степень несовершенства поверхности разрушения оцеНивали по среднестатистической разориентировке на половине высоты кривой зависимости интенсивности от угла поворота. Оказалось (табл. 6) что для всех исследованных кристаллов (NaCb КС1,

9, град

Рис. 53. Кривые отражения рентгеновских лучей от пло­ скости (100) после разрушения при скоростях распрост­ ранения трещины:

/ — 120 м1сек, 2 — 600 м/сек; 3 — 1200 м/сек; 4 — 1300 м/сек

КВг, LiF) с ростом скорости трещины среднестатистическая разориентировка уменьшается. Это означает, что увеличение ско­ рости трещины связано с уменьшением пластической деформа­ ции поверхности разрушения. Другими словами, со скоростью трещины ослабевает ее способность генерировать перед собой дислокации.

Каким образом меняется со скоростью трещины плотность дислокаций непосредственно в поверхности разрушения и около нее?

Обратимся к известной работе Гилмана [191], который про­ водил параллельное исследование скорости распространения трещины в кристаллах LiF и травление дислокаций на поверх­

128

ности скола. Было установлено, что дислокации образуются не при любых скоростях трещины. Гилман нашел критическую скорость, ниже которой трещина рождала в своей вершине ди­ слокации. Эта скорость составляла 60 м/сек. При скоростях, превышающих критическую, дислокации в вершине трещины не появлялись.

Таблица 6

Среднестатистическая разориентировка поверхности разрушения некоторых монокристаллов в зависимости от скорости трещины

Аналогичные результаты приведены Гилманом в работах [371, 30], однако без количественного определения скорости дви­ жения трещины. Наблюдение за фигурами травления на пло­ скости раскола показало образование дислокационных петель впереди медленно продвигающейся трещины. Характерно рож­ дение петель в области кристалла, совершенно лишенной источ­ ников Франка—Рида. Эти петли могут возникать лишь под влиянием больших напряжений в вершине трещины. При быст­ рых трещинах плотность дислокаций оказывается малой, при медленных (легкое постукивание зубилом или двукратные удары) она велика.

Дислокационные петли образуются по плоскостям (0 11) и

(0 11) при плоскости спайности (100).

Амелинкс [372], декорируя дислокации в кристаллах КС1, об­ наружил образование по фронту медленной или остановившейся трещины концентрических дислокационных петель в плоскостях (100) и (ПО).

Форти [373] микрокинематографическим и интерферометри­ ческим путями обнаружил нерегулярности на фронте трещины и связал их с появлением в вершине трещины дислокаций и выстраиванием их в ряды. Эти деформированные зоны отвечали местам, где трещина временно останавливалась или очень мед­ ленно двигалась. Форти отмечает, что трещина вводит в кри­ сталл ряды краевых и винтовых дислокаций, причем первые

129

преимущественно параллельны трещине, а вторые нормальны к ней. Он пишет: «.. .развитие нерегулярностей винтовых дисло­ каций и связанных с ними ступенек происходит при малых от­ ступлениях фронта на каждой остановке трещины в кристалле. Пластическая деформация протекает интенсивно, если трещина движется медленно или стоит на месте. Деформация отсут­

в кристаллах окиси магния по фронту разрушения переме­ щаются дислокации, вызывая пластическую деформацию. В слу­ чае быстрого развития трещины пластическая деформация от­ сутствует.

Интересное исследование выполнено М. П. Шаскольской, Ван Янь-Вэнем и Гу Ши-Чжао [375]. Они производили медлен­ ный раскол кристаллов LiF в условиях непосредственного на­ блюдения под поляризационным микроскопом. Изучалось рас­ пределение напряжений («факел») в вершине трещины и плот­ ность дислокаций на плоскости раскола и в вершине остановив­ шейся трещины. При медленном увеличении нагрузки трещина стоит, но зато яркость «факела» на ее конце, т. е. концентрация напряжений, возрастает. Затем следует скачок, и на новом ме­ сте остановки фронта трещины вновь начинается концентрация напряжений. Ряды дислокаций появляются в местах остановки

трещины и образуют «развилку» по плоскостям (0 11) и (0 11). Если сжать кристалл с остановившейся трещиной, она сокра­ щается и на месте слияния полностью восстанавливается про­ зрачность кристалла. На этом участке остаются ряды сидячих дислокаций, упрочняющих материал настолько, что последую­ щее разрушение не идет по нему, а распространяется рядом

сним.

Вработе В. М. Финкеля с сотр. [203] были использованы об­ разцы крупнозернистой трансформаторной стали. Скорости тре­ щин колебались в пределах от 0 до 1300 м/сек. Распределение дислокаций изучали в поверхности излома и в плоскости шлифа, нормальной к ней. Установлено, что с ростом скорости трещины от 100 до 1200 м/сек (рис. 54) плотность дислокаций умень­ шается на порядок. При этом малые скорости разрушения ха­ рактеризуются равномерным распределением дислокаций по всей поверхности скола и в пределах одного зерна, и на различ­ ных кристаллитах. В интервале скоростей 900—1200 м/сек рас­ пределение дислокаций крайне неравномерно. Наряду с участ­ ками большой плотности, весьма близкой к случаю малых ско­ ростей, существуют и такие, где количество фигур травления очень мало и нередко достигает 1 - ЛО7 см2. Как правило, дисло­ кации группируются вблизи ступеней, где протекает интенсив­ ная пластическая деформация.

130

Изучение плотности и распределения дислокаций в плоскости шлифа, нормальной к поверхности разрушения (рис. 54), пока­ зало следующее. При малых скоростях разрушения (от 0 до 400 м/сек) деформация проникает на глубины, значительно пре­ вышающие 100 мкм. Ее распределение не меняется между 20 и 100 мкм. Наиболее интенсивная деформация сосредоточена

Рис. 54. Изменение плотности дислокаций в зависимости от ско­ рости распространения трещины:

/ — поверхность излома; 2, 3, 4, 5 — под поверхностью разруше­ ния на глубине соответственно 20, 50, 70 н 100 мкм

в тонком поверхностном слое толщиной 20 мкм. При больших скоростях трещины, превышающих 600—700 м/сек, на глубинах 20, 50, 75 и 100 мкм под поверхностью разрушения с возраста­ нием скорости плотность дислокаций убывает. При этом в 20-мкм слое деформация примерно одинакова. В целом это означает увеличение локализации деформации близ трещины по мере роста ее скорости.

Как отмечалось ранее, при разрыве имеет смысл говорить

131