книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

Анализ уравнения показывает, что при икл>их стационарное расклинивание устойчиво по отношению к малым возмущениям. При ^нл<^.х это расклинивание неустойчиво и наблюдается ав­ токолебательный режим распространения трещин. При этом длина волны колебаний возрастает с увеличением скорости волны.

Проведенные работы согласуются с наблюдениями В. М. Косевича [492], который, рассматривая разрушение монокристал­ лов висмута, обнаружил образование на поверхностях скола волнообразного рельефа. Оказалось, что вдоль волны колеб­ лется плотность дислокаций, достигающая максимума на греб­ нях и минимума на промежуточных участках. Необходимым ус­ ловием образования волн оказалось сравнительно медленное распространение трещины. При быстром разрушении волны не образуются.

В работе [360] В. М. Косевич применил метод Берга—Баррета для изучения плоскостей спайности монокристаллов кальцита, висмута и цинка. Он установил, что в кальците нарушения лока­ лизуются вдоль ступенек скола. В области поверхностных волн искажения захватывают незначительный поверхностный слой порядка нескольких микрометров (микрон). В висмуте искаже­ ния сосредоточиваются в основном на пластических волнах. При этом в окрестностях пластической волны искривления кристал­ лической решетки достигают десятков минут и простираются на глубину до 10—50 мкм. Ступеням скола на висмуте сопутствует некоторая пластическая деформация, существенно меньшая, не­ жели в волнах. В поверхностях скола монокристаллов цинка деформация связана в соизмеримой степени как с волнами, так и со ступеньками скола. Медленное распространение трещины в цинке сопровождается разделением монокристалла на фраг­ менты, одна из границ которых часто ориентируется вдоль сту­ пеней скола.

Позднее волнообразный рельеф наблюдали в работах [199] при разрушении монокристаллов висмута. В отличие от данных В. М. Косевича, кривизна участка между гребнями волн может различаться по знаку, хотя расположение их на противополож­ ных плоскостях скола всегда совпадает. Помимо этого, возмож­ ность образования волнообразного рельефа связана не только со скачкообразностью роста трещины, но и с наличием колоний мелкодисперсных трещин в связи с предшествующим двойникованием. Так как разрушение, как правило, происходит по одной из таких колоний, появление волнообразного рельефа возможно вследствие объединения микротрещин. Тогда искривленным участкам отвечает поверхность трещин, а гребням — перемычка между ними.

Прямую экспериментальную проверку теории Г И. Баренблатта и Р. Л. Салганика провел А. М. Михайлов [493]. Кино­

222

съемку раскола кристалла выполняли на аппарате СКС-1 в ре­ жиме фоторегистрации (с удаленной компенсационной приз­ мой). Разрушение во времени составило 10 мксек. Съемка та­ кого рода имеет безусловные достоинства перед методом лупы времени, при котором из-за дискретной смены кадров регистра­ ция недостаточно однородна. Применение непрерывной развер­ тки позволило А. М. Михайлову с достоверностью установить скачкообразный характер распространения микротрещин.

Согласно Г И. Баренблатту и Р. Л. Салганику, длина равно­ весной неподвижной трещины перед клином

Принимаем допущение, что плотность поверхностной энергии Т (0) убывает со скоростью трещин и отсутствует инерция. От­ сюда следует, что, начав двигаться, конец трещины мгновенно

Оказалось, что это отношение составляет 1,5н-2,2.

Развитие трещины происходит скачками с крутым передним фронтом. Отмечается сложная роль пластичности, способной влиять на распределение напряжений в вершине трещины. На­ чиная со скоростей клина 20 мм/сек зависимость длины трещины от времени становится несовместимой с теорией квазихрупкого разрушения в том отношении, что ее средняя скорость не равна скорости клина, а превышает ее во много раз (до 15).

В гл. VII показано, что глубина зоны пластической деформа­ ции вокруг движущейся трещины определяется не только ее ско­ ростью, но и ее ускорением:

Это уравнение приводит к парадоксальному результату: рас­ пространение трещины не может быть равномерным, так как зона пластической деформации становится бесконечно большой, что явно противоречит эксперименту. Трещина постоянно дол­ жна менять темп своего движения —ускоряться и замедляться. Кроме того, возможно, что неравномерность разрушения связана с дискретностью структуры кристаллического материала и пе­ риодическим разрывом атомных связей движущейся трещиной.

223

Ускорение в этом случае можно оценить исходя из скорости распространения трещины 1000 м/сек и продолжительности пересечения трещиной элементарной ячейки размеров в 10‘ 8 см (10-13 сек). Оно достигает 10+18 см/сек2. По-видимому и эта ве­ личина не предельная, поскольку скорость разрушающей тре­ щины способна существенно превышать 1000 м/сек.

Наиболее высокие ускорения наблюдаются при ветвлении (до 1010 см/сек). Здесь (гл. VIII) скачкообразность связана, вопервых, с потерей скорости магистральной трещиной после акта ветвления и необходимостью приобретения критической скоро­ сти распространения для наступления очередного акта. Во-вто­ рых, ветвящаяся трещина пребывает в нестабильном состоянии, обусловленном сложными процессами в зоне сопровождающей ее пластической деформации, что проявляется в образовании многочисленных микротрещин и пространственных перемеще­ ниях по области микроутяжки. В-третьих, многочисленные вто­ ричные трещины взаимодействуют друг с другом и с маги­ стральной, обмениваясь упругими импульсами с частотами по­ рядка 106—107 гц. Последние два явления — нестабильность движения в русле и упругое взаимодействие — вероятно, связаны.

Исследования разрушения стекла [147] при изгибе позволили связать скачкообразность с формой фронта растущей трещины. Было установлено, что остановки соответствуют затупленному фронту, тогда как при острых пикообразных очертаниях вер­ шины скорость трещины велика. Связано это, по-видимому, со следующими причинами. Во-первых, на поверхности изгибаемой пластины напряжения больше, чем в ее сердцевине, а во-вторых, как хорошо известно, объем стекла в несколько раз прочнее по­ верхности [494]. Объясняют это тем, что в процессе изготовле­ ния стекла в поверхностных его слоях создаются градиенты температур, а под их влиянием возникают микротрещины. Та­ ким образом, когда трещина имеет «косой» фронт с пикообраз­ ным выступом близ поверхности, скорость ее велика. Наоборот, все без исключения остановки трещины сопровождаются зату­ плением ее фронта. Такое поведение трещины, очевидно, не слу­ чайно. В процессе достаточно быстрого движения в области рас­

Наиболее простым объяснением остановок роста трещин было бы существование участков повышенной прочности в стекле.

Для выяснения причин прерывания роста трещины был про­ веден следующий опыт. На стекле перпендикулярно направле­ нию движения трещины наносили алмазом тонкие царапины. На некоторых из них отмечались торможение и полная остановка на 0,7 • 10"3 сек. После этого трещина вновь разгонялась и до­ стигала скорости порядка 150 м/сек.

224

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕДЛЕННОЙ ТРЕЩИНЫ

СДИСЛОКАЦИОННЫМИ ГРАНИЦАМИ

Вгл. VII отмечалось влияние, оказываемое на распростра­ нение трещины дислокациями, прежде всего винтовыми, присут­ ствующими в материале. Особенно интенсивно воздействуют границы и субграницы кручения.

Ниже приводятся результаты поляризационно-оптического и кинематографического исследования (495] процесса прорыва медленных трещин через субграницы кручения и наклона с раз­ личной разориентировкой.

Исследование проводили на кристаллах каменной соли и фто­ ристого лития. Образцы размерами 0,3X0,6x2 смг с исходной трещиной длиной 5—7 мм перед испытанием отжигали по ре­ жиму: медленный нагрев, выдержка 15—20 ч, медленное охла­ ждение со скоростью 20 град/ч до комнатной температуры. Тем­ пературу выдержки для UF принимали 740—750° С, для NaCl 620° С. Испытывали также и неотожженные кристаллы. Дисло­ кационную картину до и после разрушения выявляли травле­ нием по рецептуре, описанной в (496, 497]. Образец закрепляли в специально изготовленной плексигласовой ванночке на сто­ лике поляризационного микроскопа и раскалывали введением в устье исходной трещины ножа-лезвия с постоянной скоростью подачи. Поступательное движение ножу сообщалось от меха­ низма масштаба времени микрокиноустановки МКУ-1 через микрометр. Скорость подачи 0,3 мм/сек.

Для кинематографирования применяли кинокамеру СКС-1М. Для соединения кинокамеры с микроскопом окуляр последнего придвигали вплотную к призме камеры (собственный объектив кинокамеры снимали).

Как правило, исходная трещина останавливается у субгра­ ницы. Продвижение трещины начинается после определенного инкубационного периода, во время которого протекает значи­ тельная пластическая деформация. Интенсивность двулучепреломления нарастает медленно. Когда напряжения достигают критических значений, происходит прорыв. После прорыва на­ пряжения спадают почти полностью и до следующей остановки просветлений в ходе распространения трещины не отмечается. Дойдя до очередной границы кручения, трещина останавли­ вается и картина повторяется. Длительность остановки зависит от угла разориентировки и колеблется в интервале 65 • 10~3— 800 • 10~3 сек. На рост напряжений в вершине остановившейся трещины влияют размеры образца и положение исходной тре­

щины.

Процесс распространения трещин тем более затруднен, чем больше в кристалле границ. На каждой границе кручения резко возрастает плотность дислокаций и образуются многочисленные

225

ступени скола. Барьерами для трещины служат также включе­ ния. Встретив включение, трещина разбивает его или чаще всего огибает. Преодоление включения в большинстве случаев сопро­ вождается длительной остановкой трещины, составляющей 300— 500 • 10"3 сек.

С целью выяснения процессов, происходящих в вершине ос­ тановившейся у границы трещины, киносъемке подвергали по­ верхность кристалла, находящегося в травящем растворе. Ис­ следуемым материалом служила каменная соль. Предполагалось,

Рис. 91. Схема установки для микрокинематографического исследования раскола кристалла в травителе:

что при медленной подаче ножа в устье исходной трещины впереди нее будет изменяться дислокационная картина.

Для получения хорошей контрастности и резкости изобра­ жения был использован вертикальный металлографический мик­ роскоп типа МВТ с длиннофокусными объективами ОСФ-17 и ОСФ-22, имеющими рабочее расстояние примерно 15 мм. В слу­ чае этих объективов не сказывается присутствие тонкого (3— 5 мм) слоя жидкости между фронтальной линзой и поверхностью исследуемого кристалла.

Фоторегистрация осуществлялась камерой СКС-1М (рис. 91). В качестве осветителя использовали ртутную лампу сверхвысо­ кого давления СДВШ-250. Образец зажимали в ванночке, кото­

226

рую устанавливали на столике микроскопа. В устье трещины осторожно вводили лезвие. Поступательное движение ножу пе­ редавалось также от механизма масштаба времени микрокино­ установки. Скорость подачи варьировалась от 0,2 до 2,0 мм/сек.

В ванночку заливали травитель и сразу же включали кино­ камеру' и механизм подачи ножа. При использовании быстрого травителя трещина практически при любой скорости подачи ножа почти не реагировала на него. Нож мог зайти на 2—3 мм в глубь трещины, а ее вершина при этом оставалась на месте и не происходило каких-либо изменений в дислокационной кар­ тине. Затем трещина быстро проскакивала значительное рас­ стояние, не внося изменений в поверхностную структуру. Пред­ полагалось, что эти особенности объясняются действием сильно травящего раствора. Поэтому быстрый травитель был за­ менен слабым, а режим нагружения — медленным и ступен­ чатым.

В качестве медленного травителя использовали этиловый спирт с добавкой CdCl2 в качестве замедлителя [496, 497]. Про­ должительность съемки всего процесса составляла 10—15 мин. показывают, что время травления в используемом травителе стабого травителя движения дислокаций на поверхности кристалла в вершине трещины не происходило.

Нельзя сказать, что новые дислокации не успевают протравиться за время эксперимента. Данные работ [497], а также ре­ зультаты опытов, выполненных автором и А. М. Савельевым, показывают что время травления в используемом травителе ста­ рых дислокаций, образованных приготовлением образца, и но­ вых, полученных, например, уколом, одинаково и составляет 1,5—2 мин. Продолжительность же эксперимента 12—15 мин. По-видимому, отсутствие движения и появления новых дислока­ ций на поверхности обусловлено условиями раскола кристалла в травителе.

Классическими опытами А. Ф. Иоффе было показано, что прочность кристаллов каменной соли возрастает, если испыта­ ния проводить в воде. В процессе зарождения пластического течения важную роль должны играть поверхностные источники сдвигов. При их удалении зарождение новых дислокаций ста­ новится менее вероятным. Иными словами, происходит упрочне­ ние поверхностного слоя.

Можно полагать, что под действием прикладываемых напря­ жений вследствие увеличения упругой деформации решетки кри­ сталла изменяется характер взаимодействия травителя с его поверхностью. С ростом напряжений избирательная способность травления переходит в полирующую. Поскольку напряжения в вершине трещины наибольшие, то все поверхностные дефекты здесь снимаются наиболее интенсивно, что должно привести к упрочнению поверхностного слоя. Удаление поверхностных

227

источников сдвигов у вершины заставляет при достижении опре­ деленных напряжений работать внутренние источники, которые и подготавливают фронт трещины. Поэтому движение трещины начинается в глубине кристалла и лишь потом она выходит на поверхность.

Этим, по-видимому, и можно объяснить гораздо большие усилия, необходимые для проталкивания трещины в травителе, чем на воздухе, и частое отклонение ее от первоначального на­ правления. С удалением от вершины трещины напряжения быстро спадают и режим травления восстанавливается. Появле­ ние дислокационных цепочек {ПО] вдали от вершины объяс­ няется выходом на поверхность дислокационных розеток от внут­ ренней трещины и избирательным характером травления, в от­ личие от полирующего — вблизи поверхностной вершины тре­ щины.

3.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЫСТРЫХ ТРЕЩИН

СДИСЛОКАЦИОННЫМИ ГРАНИЦАМИ

Первый способ состоял в следующем. Луч света, отраженный от вскрывшейся во время распространения трещины плоскости скола, направлялся на фотоэлемент. При этом .фототок оказы­ вался пропорциональным площади скола. На широкой грани кристаллов LiF и NaCl (15X15X4 мм) напылялась узкая алю­ миниевая полоска, которая включалась в схему синхронизации I (рис. 92). Напряжение, вызванное ростом фототока, подавалось на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. В то же время в результате разрыва алюминиевой полоски запускалась ждущая развертка осциллографа. Таким образом, сигнал, изме­ нявшийся с ростом длины трещины, разворачивался во вре­ мени. После того как трещина проходила через все сечение образца, рост кривой прекращался и она выходила на горизон­ тальный участок. Вследствие индуктивности системы форма сиг­ нала несколько искажалась.

В результате зарегистрированы скорости трещин в интервале 150—840 м/сек.

При использовании второго способа образцы фтористого ли­ тия (3 X 6 X 20 мм) подвергали динамическому расколу и осу­ ществляли высокоскоростную кинорегистрацию распространяю­ щейся трещины.

Предварительно выращивали трещину длиной 5—7 мм. Дис­ локационную картину выявляли в специально приготовленном травителе, который дает возможность получать крупные фигуры травления с хорошей огранкой при времени травления 30— 40 мин.

228

Образец в держателе закрепляется на столике поляризацион­ ного микроскопа МП-3, спаренного с кинокамерой СФР-1М. Ми­ кроскоп и камеру устанавливали на массивную металлическую плиту для предотвращения вибрации при работе двигателя ка­ меры. Увеличение на кинокадре —десятикратное. Раскалывание осуществляли электрогидравлическим ударом, который проис­ ходил в момент проскакивания высоковольтной искры через тон-

сталла приведена на рис. 93.

Высоковольтный импульс, выдаваемый камерой, подается од­ новременно на затвор камеры и промежуточный разрядник, от которого срабатывает вся система. Для совмещения во времени удара и вспышки импульсной лампы ИКФ-120 в схему дополни­ тельно включали линию задержки.

В поле зрения микроскопа устанавливали участок кристалла впереди трещины с характерными субграницами. Иногда на уча­ стке в 1 мм (поле кадра) насчитывалось до 3—5 границ.

229

Скорость съемки 120000 и 240000 кадров в секунду. Часто на поверхности кристалла трещина останавливалась не у границы, а перед или за ней. Это объясняется, по-видимому, искривле­ нием самой границы и фронта трещины. На поверхности скола остановка трещины обычно фиксировалась непосредственно у границы.

Из типичных фотографий, иллюстрирующих преодоление тре­ щиной барьеров субграниц (рис. 94), видно, что она сделала две остановки. Продолжительность первой остановки 12 • 10-6 сек,

Рис. 03. Схема установки для микрокинематографического изучения роста трещин:

/ — кинокамера СФР-1М; 2 —■объектив; 3 — микроскоп МП-3; 4 — кри­ сталл; 5 — разрядник с водой; 6 — лампа ИФК-120; 7 — металлическая плита; / — промежуточный разрядник

второй 8* 10_б сек. Скорость трещины на участке до первой оста­ новки 350 м/сек, перед второй 120 м/сек. На другом кристалле трещина прошла сразу через все поле, несмотря на присутствие субграниц.

Интерферометрический анализ микроструктуры сколов пока­ зал, что в первом случае существовали границы кручения с углом разориентировки 0= 6-т-8°, во втором — границы наклона. Если на границах кручения образуется большое число ступеней (рис. 95), то на наклонных структура не претерпевает особых изменений. Обычно продолжительность остановки на винтовых границах не превышала 16* 10~6 сек. Плотность дислокаций в местах остановок трещины возрастала на 2—3 порядка.

230

Сопоставление картин двойного лучепреломления, получен­ ных на медленных трещинах, с микроструктурой скола показывает, что места максимальных просветлений соответствуют участкам с границами скручивания. На этих границах обычно образуется картина «речного» узора. Высота и число ступеней различны в зависимости от угла разориентировки 0. Если при 0=2° время остановки составляет 65 -10“3 сек, то при 0= 9° оно равно 250-10~3 сек. Границы с меньшим углом разориентировки не оказывают существенного влияния на трещину.

Расходуя большое количество упругой энергии на границах кручения трещина способна быстро тормозиться. Это наблюда­ лось на ряде кристаллов, когда трещина останавливалась, пройдя 3—5 таких границ. Если трещина пересекает полосы скольжения из винтовых дислокаций, то она также несколько замедляет свой темп. На сколе наблюдается повышение плот­ ности дислокаций и образование небольших по высоте ступенек. Как правило, границы наклона не оказывают сопротивления движущейся трещине.

С ростом скорости подачи ножа напряжения в вершине тре­ щины нарастают быстро, и при встрече небольших по разориентировке границ кручения возможен прорыв без остановки при весьма малой пластической деформации или вовсе без нее. Так, в случае динамического раскола границы кручения с разориентировкой 2—4° преодолеваются без остановки с незначительной деформацией. На границах с большими углами разориентировки трещина останавливается, но время остановки невелико (/=4-s- -М6 • 10“* сек).

Можно думать, что описанный процесс в основном и опреде­ ляет скачкообразность распространения трещин при разрушении не только моно-, но и поликристаллов, в частности сталей.

Таким образом, можно считать установленным, что с ростом разориентировки границы кручения прохождение трещины сквозь нее затрудняется, а время, необходимое для этого, возра­ стает. В зависимости от характера нагружения и параметров границы время прорыва колеблется от 4 • 10-6 до 800 • 10~3 сек. Краевые границы практически не препятствуют движению тре­ щины.

4. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРЕЩИНЫ С ГРАНИЦЕЙ

Работы в этой области можно подразделить на две группы. В одной из них рассматриваются трещины ортогональные или наклоненные к границе, а в другой — трещины, распространяю­ щиеся вдоль сочленения или «склейки» двух сред.

Из работ первой группы рассмотрим исследования Зака и

231