книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

поверхности, содержащей микротрещины, и велика, когда сме­ щение на ней при скольжении наиболее значительно.

Потенциально возможные дислокационные механизмы про­ цесса подрастания трещин (рис. 5) разработаны меньше, чем дислокационные реакции образования микротрещин.

Первый из них — механизм Орована (рис. 5, а) — сформули­ рован для кристаллов типа NaCl [30, стр. 170]. При одноосном растяжении кубического кристалла существовавшая ранее малая трещина, не способная к самостоятельному росту, иници­ ируется приближающейся полосой скольжения. Когда расстоя-

Рис. 5. Механизмы докритического подрастания микротрещин

ние между полосой и трещинкой становится достаточно малым, возникающие в вершине последней высокие растягивающие напряжения вызывают скол. В условиях многих близко располо­ женных полос скольжения трещина удлиняется таким путем до достижения размеров, удовлетворяющих условию Гриффитса. Лишь после этого начинается ее распространение за счет высво­ бождения упругой энергии.

Схема Орована близка к модели Паркера [30, стр. 207], пред­ полагающей встречу двух пачек скольжения в окрестностях по­ верхностной трещины (рис. 5, б). Третьим является механизм, синтезирующий классический механизм образования микротре­ щин по Коттреллу с исходной поверхностной трещиной (рис. 5, в).

32

Предполагается возможным слияние трещины, генерируемой по Коттреллу, с поверхностной.

А. Н. Орлов [106] предложил механизм подрастания микро­ трещин, при котором пластическое течение и подготовка мате­ риала к разрушению происходят одновременно. Серия полос скольжения заблокирована границей или каким-либо барьером (рис. 5, г). Дислокационный источник, питающий полосу сколь­ жения, заперт обратными напряжениями скопившихся дислока­ ций. Пусть в полосе сдвига образовалась микротрещина. Ско­ пившиеся дислокации должны войти в нее и тем самым разбло­ кировать источник Франка—Рида. Напряжения падают и источник начинает нагнетать дислокации в трещину. В сжатой области трещина тормозится, затем ускоряется и скачком пере­ ходит к соседней полосе скольжения, где вызывает релаксацию; очередная порция дислокаций вновь стимулирует рост трещины. Механизм Орлова, таким образом, предполагает скачкообраз­ ность перемещения трещины даже на самых ранних стадиях ее роста.

Несколько более сложен вариант движения трещины по гра­ нице (рис. 5, (3). В этом случае трещина питается дислокациями с плоскостей скольжения соседних" зерен. Поскольку эти дисло­ кации могут иметь различные знаки, напряжения в вершине трещины определяютя не полным числом поглощенных дислока­ ций, а избытком дислокаций одного знака. Это должно вести к дополнительной скачкообразности и к образованию вдоль гра­ ницы пустот.

По мнению Стокса и Ли [30, стр. 96], наблюдавших удлине­ ние поверхностных трещин в направлении, нормальном тому, которое вытекает из схем Орована, Паркера и Коттрелла, рост микротрещин является просто следствием пластичности кри­ сталла и его можно не связывать с конкретными механизмами взаимодействия дислокаций.

Интересные результаты, относящиеся к медленному росту трещин в кремнистом железе, содержатся в работах [107—111]. Микротрещины получали наводороживанием посредством катод­ ного насыщения или ионной бомбардировкой. Отжиг приводил к декорированию дислокаций и позволял наблюдать конфигу­ рации дислокационных рядов у вершины трещины. Размер тре­ щин достигал 0,1 мм. Образцы с подобными трещинами подвер­ гали деформированию при различных температурах. При рас­ пространении трещины дислокационная структура в ее предпольи приобретала форму квадрата, что свидетельствовало о скольжении не только по плоскостям, пересекавшим вершину трещины, но и плоскостям, которые расположены вне ее. Таким образом, поле напряжений трещины было способно ини­ циировать скольжение на определенном удалении от нее. Тре­ щина скачкообразно росла в направлении [100] диагонали

33

дислокационного квадрата. С помощью электронномикроскопи­ ческого и микроскопического исследований удалось установить на расстоянии в 1 мкм перед трещиной существование сильной пластической деформации, ведущей к образованию небольшой трещинки перед главной. Последующее объединение их ведет к продвижению магистральной трещины. На основании этого Тетельман предлагает ряд схем подрастания докритической схемы (рис. 6).

Тривиальным является вариант, когда удовлетворяется усло­ вие Гриффитса и в рамках чисто упругой задачи обеспечивается хрупкий разрыв материала по прямой, являющейся продолже­ нием линии трещины. Второй случай — развитие сдвиговых яв­ лений в вершине и перед трещиной. По-видимому, этот вариант близок к модели Паркера. В результате концентрации энергии

Рис. в. Схема докритического подрастания микротрещин по Тетельману

деформации может оказаться возможным микросдвиг перед остановившейся трещиной с образованием микротрещины. И, на­ конец, посредством одновременного расширения и притупления остановившейся трещины происходит слияние основной и вто­ ричной с увеличением радиуса кривизны вершины и общим прогрессированием разрушения.

2.ФОРМИРОВАНИЕ РУСЛА ТРЕЩИНЫ

Вполикристалле кремнистого железа магистральная тре­ щина развивается путем интенсивной деформации узкой обла­ сти, при этом происходит как деформация сдвига, так и сосре­ доточенная пограничная деформация [112, 113]. В процессе фор­

мирования русла трещины малые зерна поглощаются. Большие зерна нередко огибаются руслом, хотя в них и протекает сдвиг.

Пластическая деформация, опережающая трещину, зависит от ориентировки кристаллов в поле разрушения. Наглядно это видно на переднем фронте деформированной зоны (рис. 7), где вследствие структурной чувствительности имеются и явно де­ формированные и не вовлеченные в деформацию зерна. При ма­

34

лых скоростях движения трещины подобная избирательность проявляется всегда, причем сначала возникают лишь отдельные очаги пластической деформации. Лишь затем деформация по­ степенно охватывает всю группу зерен перед трещиной. На этом этапе свойства различных кристаллов как бы нивелируются и части их, а иногда и целые зерна «втягиваются» в зону утяжки.

Для идентификации темных участков по границам зерен при­ меняли съемку в темном поле. При съемке этого вида исполь­ зуются только косые пучки света, поэтому отражение от плоско­ стей, параллельных основной, не попадает в объектив и они выглядят темными. Любое просветление означает, что на шлифе имеются либо наклонные участки, либо неоднородности, рассеива­ ющие свет, поступающий в объ­ ектив. Полученные фотографии свидетельствуют о том, что при­ граничные области, контрастно проявляющиеся перед трещиной, представляют собой участки зер­ на, наклоненные к плоскости шлифа и имеющие, по-види­ мому, другой уровень. Таким об­ разом, зерно окаймляется или выступающим «барьером», или, что более вероятно, «канавкой» по границе. Подобная «канавка» имеется лишь в одном из со­

седствующих зерен, поверхность другого может быть не из­ менена.

Наряду с пограничными явлениями происходит взаимный разворот зерен перед трещиной. Поворачиваются многие кри­ сталлиты, но особенно интенсивно лишь некоторые и прежде всего те, в которых протекают трансляционные явления.

В целях анализа интерференционной картины была рассчи­ тана разориентировка плоскостей кристаллита. Интерференция в тонком клине позволяет по расстоянию между интерференци­ онными полосами определить наклон плоскости шлифа к мни­

где Я — длина волны света;

I— расстояние между полосами.

Впроцессе деформации части кристаллита наклоняются друг к другу. Можно найти их взаимную разориентировку, если известен их наклон к плоскости мнимого изображения зеркала прибора.

35

ЯX

=-хт- и tg р = ——определяются из эксперимента. Угол между

Zli 2I2

следами плоскостей на базисной плоскости у тоже известен и равен углу наклона двух систем интерференционных линий.

Систему координат выбирают так, чтобы плоскость xoz была нормальной к GKM. Нормали к плоскостям ON\ и ON2 будут равны:

CW, = A cos a; 0-/V2 = ACOS(3.

Проекции ON\ на координатные оси:

*, = Л COS a sin a; у, = 0; z, = h cos2a.

Проекции ON2 на координатные оси:

х 2= —A cos рsin р cos if; y2 = —A cos psin psin ?; 22= A cos2p.

Угол между плоскостями может быть определен по проек­ циям нормалей к ним следующим образом:

После подстановки окончательная формула имеет вид

В связи с малостью а и р для приближенных расчетов можно пользоваться формулой

Интерферометрическое исследование района трещины под­ твердило описанные наблюдения и позволило обнаружить чрез­ вычайно сложный вид изгиба, претерпеваемого кристаллитами. Величина углов, на которые при этом разворачиваются кристал­ литы друг относительно друга, изменяется в пределах 2—10°.

Известно, что в случае неоднородной пластической деформа­ ции, особенно в поликристаллическом веществе, могут возникать области переориентированной решетки — области сброса (по­ лосы деформации, изгиба). В вершине трещины создается сложнонапряженное состояние, способное привести к явлениям сброса, тем более, что в крупном зерне трансформаторного же­ леза нередки неметаллические включения, инициирующее влия­ ние которых на создание таких областей деформации общеиз­ вестно.

36

Действительно, при разрушении трансформаторного железа неоднократно наблюдались подобные явления, играющие, по-ви­ димому, существенную роль в движении и особенно в зарожде­ нии трещины.

Пластическая деформация (рис. 9) привела к образованию группы линий скольжения, источником которых послужило устье надреза. На некоторой прямой линии, берущей свое начало от включения (показано стрелкой), полосы скольжения прелом­ ляются и распространяются дальше параллельным пучком. Эту линию можно считать плоскостью перегиба, ограничивающей протяженную область сброса. По мере роста деформации появ­ ляются поперечные полосы сбросового происхождения, отра­ жающие волнообразный рельеф поверхности. Все описанные явления протекают в правой половине наблюдаемого поля. Вместе с тем слева кристалл не деформирован и вообще слабо нагружен, так как находится в разгруженном участке за тре­ щиной. Компромиссная зона между деформированной и недеформированной частями кристалла расположена по вертикали под устьем трещины и имеет вид полосы шириной примерно 20 мкм с большим числом полос скольжения, ориентированных поперек полосы. Эта зона возникает одновременно с появлением основной пачки линий скольжения. Левая граница зоны служит одновременно источником линий скольжения, параллельных линиям скольжения в кристалле. Ориентировка линий скольже­ ния в компромиссной зоне сбросового происхождения иная, чем в основном кристалле.

Таким образом, процессы разрушения и сбросообразования взаимно обусловлены: сброс ведет к образованию трещины, а трещина — к созданию очередной сбросовой области.

При неоднородной пластической деформации участки с пере­ ориентированной решеткой наблюдались не только непосредст­ венно у трещины, но и на расстоянии от нее. Нередко в этом случае полосы деформации возникают на границах между кри­ сталлитами и располагаются группами. Происхождение этих полос обусловлено, вероятно, значительной прочностью межкристаллитного сочленения и необходимостью сочетания грубо развернутых зерен. Ранее аналогичную приграничную область при металлографическом исследовании деформированного мо­ либдена наблюдали в работе [114]. Отмечалось, что эта область возникает при малых деформациях и утолщается по мере их увеличения. Толщина зоны была оценена в 20—30 мкм, сдвиг по границе — в несколько десятых микрометра (мкм). По мне­ нию авторов [114], деформация этого вида аналогична смещению по границам зерен и двойников у чистого железа при низких температурах.

Итак, разрушению в трансформаторной стали предшествует локализованная перед трещиной деформация, при которой

37

происходят сдвиг по, плоскостям скольжения, сдвиг и разворот зерен по границам, изгиб зерен и создание различных участков с ориентировкой, отличной от матричной.

Эти процессы не являются независимыми. В ряде работ по­ казано [115—117], что при ползучести сдвиговые явления по гра­ ницам не самостоятельны и в значительной степени контроли­ руются процессом деформации в объеме зерна. В условиях зна­ чительной концентрации напряжений в вершине трещины, произвольной ориентации зерен и существования границ кон­ такта между ними деформация в объеме протекает чрезвычайно неоднородно, приводя к изгибу зерен и их развороту. Следст­ вием этого являются сбросы в теле зерна и в его пограничных областях, а также сдвиги по границам.

Все эти явления способствуют разрушению, формируя ложе будущей трещины. Если кристаллит ориентирован таким обра­ зом, что пластическая деформация скольжением в нем воз­ можна, русло формируется путем создания колоний линий скольжения в теле зерна. Постепенно уплотняясь, веер полос скольжения создает зону утяжки, по которой и распростра­ няется трещина. Этому процессу сопутствует обычно значитель­ ный изгиб зерен, разворот их и образование сдвигов по грани­ цам. Постепенно поворачиваясь, зерна как бы втягиваются

взону утяжки. Нередко зона утяжки начинается на границе и

вконце концов сливается с утяжкой по телу зерна.

Если пластическая деформация скольжением заторможена, развиваются полосы перегиба, по которым может расти тре­ щина. Сброс может начинаться на трещине, дефекте (например, неметаллическом включении) или на границе. Некоторые пере­ ориентированные области, подобные сбросу, располагаются не­ посредственно вдоль границы двух кристаллитов.

3. РОСТ ДОКРИТИЧЕСКИХ ТРЕЩИН В УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

Многочисленными исследованиями, приведенными, например, в работе [118], выяснено влияние различных фазовых составляю­ щих стали на величину ее ударной вязкости. П. О. Пашков [119] рассмотрел неоднородность протекания пластической деформа­ ции в отдельных структурных доставляющих стали.

Сравнительно менее изучены вопросы, связанные с возник­ новением и особенно ростом трещин в сталях. Из немногих ра­ бот такого рода следует прежде всего отметить [120], в которой изучалось зарождение и распространение трещин в закаленных сталях с гетерофазной структурой. Установлено, что первые тре­ щины могут появляться как в феррите и бейните после проте­ кания в них локализованной пластической деформации, так и в карбидной сетке.

38

В работе [121] найдено, что первые трещины зарождаются в динамически разрушаемой малоуглеродистой стали в коло­ ниях перлита и по границам зерен. Лориг [122] показал возмож­ ность образования трещин на межзеренной границе с последую­ щим распространением по стыку двух зерен. При этом выяс­ нено инициирующее влияние сульфидов и нитрида алюминия. С. Е. Гуревич [123] провел кинетическое исследование механизма микроразрушения баббита при статическом сжатии.

Е. М. Шевандин [124] наблюдал возникновение и рост хруп­ кой трещины при ударных испытаниях фосфористого железа

жении 340 Мн/м2 (34 кГ/мм2)

с содержанием углерода 0,1%. Движение трещины отличалось прерывистостью и сопровождалось образованием двойников.

При металлографическом исследовании образцов из стали ЗОХНЗА, закаленных и подвергнутых кручению и изгибу, С. С. Шураков [125] установил, что распространение трещины происходит по границам бывшего аустенитного зерна и сопро­ вождается пластическими сдвигами.

Ниже приводятся результаты интерференционного исследо­ вания движения трещин в процессе растяжения сталей с различ­ ным содержанием углерода [113].

Исследованию подвергали углеродистые стали марок Ст. 3, Ст. 5, 50 и заэвтектоидную сталь. Для изучения доэвтектоидного состояния первые три стали отжигали при 850° С в течение 2,5 ч. При 710° С давали выдержку в течение 1 ч для получения

39

Г Л А В А III

КИНЕТИКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН В СТЕКЛЕ И ПОЛИМЕРАХ

Какой давил их грозный пресс? Каким ножом бесстрашным сделан Вот этот правильный разрез?

Константин Ваншенкин

Взгляни вон туда, к Чатыр-Дагу. Видишь трещину у подножия? Там ты найдешь неистощимую россыпь золота.

Легенды Крыма

I. РОСТ ТРЕЩИН В СТЕКЛЕ

Наиболее широкие экспериментальные исследования в этом направлении проведены Шардиным с сотрудниками. В 1929 г. Кранд и Шардин [126] сконструировали скоростную кинокамеру, основанную на принципе последовательных искровых вспышек с фиксированием изображения на одну пленку. Впоследствии этот метод развивался и, обеспечивая скорости съемки до 106 кадров в секунду, стал основным (127] при выполнении почти всех работ коллектива Шардина. Основные результаты этой школы опубликованы во многих статьях [129—135], а итоги под­ ведены в обзоре [30, стр. 297]. Исследовалось разрушение стекла различных видов, включая двухслойное и армированное, в усло­

с водой. Оказалось, что если на первых этапах разрушение про­ текает очень медленно (этот участок Шардин исследовал срав­ нительно мало), то на заключительных трещина растет с боль­ шими скоростями, величина которых относительно стабильна и в очень малой степени зависит от условий нагружения и геомет­ рии образца. Например, по данным Щардина и Струта [129, 135], стекло толщиной 2; 4 и 5 мм разрушается со скоростями соответственно 1520, 1550 и 1550 м/сек. Скорость распростране­ ния трещин в двухслойном стекле составляет 1500, а в 20-мм ар­ мированном 1420 м/сек. Всякий раз, когда удавалось измерить скорость трещин, оказывалось, что она была постоянна в дан­ ном эксперименте. Изменение напряжений, по Шардину, также почти не влияло на максимальную скорость трещины. Един­ ственное, от чего интенсивно зависит предельная скорость

41