книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

Интерферометрически определено, что в процессе двойникования образцов происходит разворот поверхности двойника и кристаллита на несколько градусов (до 15°). Применение полузеркальной схемы освещения и оптики с большим разрешением дало возможность фиксировать отдельные двойниковые про­ слойки в виде светлых линий.

Процесс разрушения начинается через 1000—2000 мксек

кривая 1). Во время роста трещины появляется сопутствующая группа (рис. 23, кривая 2). Из хода кривых 2 и 3 (рис. 23) видно, что трещина замедляется с рождением и ростом двойни­ ков, а при замедлении двойников она движется с ускорением. Такое взаимодействие можно объяснить конкуренцией двойников и трещины в использовании упругой энергии. Лучшим потреби­ телем являются двойники, так как они, имея природу, близкую к упругой, менее инертны.

Таким образом, динамическое разрушение кремнистого же­ леза предваряется интенсивным двойникованием, определяющим

62

возникновение зародышевой трещины и основные особенности сравнительно хрупкого и быстрого процесса прорастания маги­ стральной трещины в участках с наиболее плотным расположе­ нием двойниковых прослоек.

3. ОБРАЗОВАНИЕ ДВОЙНИКОВ БЫСТРОЙ ТРЕЩИНОЙ

Двойникование кристаллов изучали М. В. Классен-Неклю- дова, Р. И. Гарбер, В. И. Старцев и многие другие исследова­ тели. В настоящем параграфе рассматривается образование двойниковых прослоек движущейся трещиной. Укажем на един­ ственную известную теоретическую работу Билби и Баллафа [200], относящуюся к этому вопросу. Появление двойниковых прослоек на поверхностях скола монокристалла они объясняют в предположении, что двойникование контролируется величиной локальных срезывающих напряжений в плоскости двойникования. Поле напряжений, необходимое для этого процесса, опре­ делялось при решении задачи об образовании и распространении упругих напряжений вокруг длинной прямой трещины постоян­ ной формы, движущейся в изотропной упругой среде под дей­ ствием общих приложенных напряжений. Результаты работы были применены [201] к разрушению и двойникованию моно­ кристаллов цинка. Зависимость кинетики процесса от скорости разрушения в этих исследованиях не приведена.

Ван Элст и др. [202] изучали распространение трещины в томасовской стали. Предварительно образец плакировали фотоупругим покрытием, что позволяло в процессе скоростной кино­ съемки регистрировать распространение волн напряжения. Под воздействием этих напряжений перед магистральной трещиной возникали микротрещины и двойниковые прослойки.

При медленном росте трещины двойники [203] не обнаружены. Они появляются вблизи трещины лишь при быстром ее движе­ нии. Характерно, что очень немногие двойники продолжаются на противоположной стороне трещины, большинство из них — односторонние. Это означает, что первична магистральная тре­ щина и что двойники порождаются ею. Каждый двойник начи­ нается на надрыве трещины и представляет собой малую тре­ щинку, переходящую в прртяженную двойниковую прослойку, идущую обычно до первой межзеренной границы. Иногда по другую сторону границы возникает эстафетное, но менее вы­ раженное продолжение двойника.

Двойниковые прослойки ориентированы под углом 30—35° по отношению к направлению движения трещины, причем диа­ пазон углов не меняется. Это и понятно. Двойникование в же­ лезе идет по плоскости (211), в то время как плоскостью спай­ ности, по которой распространяется трещина, является (100). Угол между этими плоскостями составляет примерно 35° Его

63

изменения связаны с проекцией угла на внешнюю поверхность образца.

Исследования проводили на трансформаторной стали (крем­ нистом железе), сочетая скоростную киносъемку с микроскопи­ ческим изучением структуры кристаллических участков, в рай­ оне которых скорость движения трещин была известна. Оказа­ лось, что двойниковые прослойки не возникают при скоростях трещины порядка метров и десятков метров в секунду. Наимень­ шая скорость, при которой они появляются, для исследованной трансформаторной стали равна 600 м/сек1. Это связано с влия­ нием пластической деформации слоя металла, прилегающего к трещине. При низких скоростях эта деформация велика и пре­ пятствует образованию и росту двойниковой прослойки. С уве­ личением скорости трещины уменьшение деформации, как раз происходящее в интервале 500—600 м/сек, делает двойникование возможным.

На ослабление влияния пластической деформации может на­ лагаться и излучение трещины, возрастающее с ее скоростью и способное привести к образованию двойников [205, 206]. О реаль­ ности этого механизма говорит следующее обстоятельство. Если вблизи трещины находится нормальная к направлению двойникования межзеренная граница, то двойники возникают на ней, причем их направление противоположно направлению трещины. Такое направление двойниковых прослоек на границах следует, вероятно, объяснить отражением от них упругих импульсов.

4. УПРУГОЕ ДВОЙНИКОВАНИЕ КРЕМНИСТОГО ЖЕЛЕЗА

Упругое двойникование, открытое Р. И. Гарбером, наблюдали в кальците, натронной селитре [208, 231], цинке, висмуте и сурьме [192,209,210]. Все работы по упругому двойникованию выполня­ лись в условиях статистического или знакопеременного нагруже­ ния монокристаллов путем изгиба или вдавливания индентора2.

В работе [199] было обнаружено упругое двойникование в кремнистом железе при динамическом нагружении. На рис. 24 приведена зависимость длины двойниковой цепочки от времени. Видно, что скорость двойников неодинакова. Если сквозь пер­ вые три зерна цепочка двойников проросла за 100 мксек, то в четвертом, последнем, зерне процесс двойникования продол­ жался 200 мксек, причем вслед за увеличением длины двойни­ ковой прослойки в этом кристаллите наблюдалось ее интенсив­ ное укорачивание — на 5 мм (при точности замера 0,5 мм). В дальнейшем двойник не восстанавливал своих максимальных размеров.

1 Измеренная Боуденом и Купером [204] скорость роста двойников в цин­

ковых кристаллах колеблется в пределах 30—300 м/сек.

2 В работах Р. И. Гарбера и Е. И. Степиной [207] проведено наблюдение упругого двойникования в динамических условиях.

64

На рис. 25 приведены фотографии, иллюстрирующие исчезно­ вение цепочки двойников в двух смежных кристаллитах. Фото­ регистрация началась не в момент зарождения двойников и по­ этому можно следить только за изменением их длины. На пер­ вом кадре видны две области двойникования, одна из которых —

оставили после себя дислокационные цепочки в тонком поверх­ ностном слое порядка 50 мкм. Появление подобных цепочек ряд авторов [193, 211—212] объясняет образованием внебазисных частичных дислокаций.

Вероятно, «упругое» двойникование можно наблюдать не только в кристаллах цинка, висмута, сурьмы, но и в других металлах при динамическом способе нагружения. Необхо­ димо только, чтобы время нагружения, в течение которого происходят двойникование и раздвойникование, было меньше продолжительности* задержки пластической деформации для ис­ следуемого металла. В этих условиях блокирующее действие

65

пластической деформации будет исключено и «упругое» двойникование можно будет наблюдать в несравненно большем коли­ честве кристаллических материалов.

5. РОСТ ТРЕЩИН В МОНОКРИСТАЛЛАХ ВИСМУТА

Для исследования [213] использовали крупнозернистые об­ разцы висмута 99,97%. Их получали путем кристаллизации из расплава на полированной поверхности стального листа. Об­ разцы имели форму пластин размером 250 X 120 X 6 мм\ вели­ чина зерна достигала 100 мм. Разориентировка отдельных кри­ сталлитов не превышала 25° Поверхность образцов шлифовали на тонкой наждачной бумаге, а затем до зеркального блеска окисью хрома. После полировки границы зерен видны не были.

Разрушение производили ударной нагрузкой по схеме сосре­ доточенного изгиба (рис. 26). Образец помещали на стальной нож шириной 7 мм, установленный параллельно длинной стороне пластины висмута. Нагружение осуществляли с помощью двуро­ гого бойка, работающего как рычаг второго рода. Боек такой формы был удобен тем, что все поле образца оставалось откры­ тым для киносъемки. Удар наносился по рычагу грузом в 80и (8 кГ), падающим с высоты 2 м.

Съемку процесса разрушения вели киноаппаратом СКС-1 со скоростью 4500—4800 кадров в секунду через зеркало, наклонен­ ное к образцу под углом 45°

Разрушение образца происходило следующим образом. Тре­ щина возникла посредине между ножами бойка и шла парал­ лельно им до первой межзеренной границы. В целом поверхность разрушения не совпадала с плоскостью спайности и имела форму зубчатого излома, каждая из фасеток которого, величиной около 1 мм, была частью плоскости спайности (111). По достижении границы зерна трещина разветвлялась, стремясь распростра­ няться по плоскости спайности, и пересекала образец под углом. Вылом имел Y-образную форму.

Разрушающая трещина могла менять свою скорость в широ­ ких пределах. При распространении на плоскости спайности эта скорость достигала 600 м/сек, при движении по ступенчатообраз­ ной траектории она не превышала 100 м/сек. На границе между зернами зафиксированы полные остановки трещины на время порядка 20 • 10-5 сек.

Во второй серии опытов (рис. 27) монокристаллы висмута раскалывали по плоскости спайности при помощи ножа с углом при вершине 45—60°, устанавливаемого в вырезе образца глуби­ ной 1,0—1,5 мм. Образец в виде пластинки длиной от 20 до 60 мм выкалывали из кристаллита и располагали так, чтобы направле­ ние ножа совпадало с плоскостью (111). Разрушающий удар наносился падающим грузом (рис. 27, а) или взрывом электро­ детонатора (рис. 27,6). В первом случае скорость киносъемки

66

Рис. 26. Схема испытания и кино­ съемки роста трещины при изгибе монокристалла висмута:

J

67

составляла 4800 кадров в секунду (СКС-1), во втором — 30000 (СФР-1).

Результаты киносъемки (рис. 28, 29) свидетельствуют о суще­ ствовании задержки разрушения и колебаний скорости распро­ странения трещины в широких пределах. Обнаружены остановки трещины. Как правило, они связаны с переходом трещины в со­ седние плоскости. Скачки такого рода могут достигать 3—4 мм. Оказалось, что скорости при взрывном расколе (150 м/сек) лишь в полтора раза больше, чем при механическом ударном расколе.

Вместе с тем представляло интерес установить максимальные скорости, принципиально возможные на висмуте. С этой целью

1

применяли схему с предварительным растяжением. Монокристальные образцы размером 250X50X5 мм растягивали на испы­ тательной машине до появления цидимых невооруженным гла­ зом полос скольжения. Затем по краю образца взрывался электродетонатор. Движение трещины регистрировалось кино­ аппаратом СФР-1 со скоростью съемки 120 000 кадров в секунду.

Трещина начинала расти от вылома, образовавшегося в результате взрыва, энергия которого была настолько велика, что выбивалась примерно треть образца и трещина распростра­ нялась, как правило, независимо от направления плоскости спайности кратчайшим путем.

В этих опытах (рис. 29, кривая 2) была зарегистрирована скорость трещины в 1080 (±100) м/сек, близкая к рэлеевской. Погрешность измерения относительно велика и составляет 10%. Отметим одновременно, что достижение этого предела не исклю­ чило периодов пассивности и даже полных остановок трещины. Разрушение началось с задержкой на 16 • 10"6 сек.

68

Г Л А В А V

РОСТ ТРЕЩИН В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛАХ

Ты хочешь рассекать пространство? Ну что ж, прекрасно! Рассеки!

Евгений Винокуров

Как они вообще дознавались о его функциях? О, у них имелись свои источники.

Сигурд Хёль

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И СКОРОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ БЫСТРЫХ ТРЕЩИН

В этой области известно ограниченное число работ, неравно­ ценных по методике выполнения и полученным результатам.

Гудсон и Гринфельд [214] разрывали прямоугольные пла­

Вначале рост трещин предполагалось зафиксировать киносъем­ кой с частотой 3000 кадров в секунду. Этой скорости оказалось недостаточно, так как трещина проскакивала между смежными кадрами. Это означало, что ее скорость заведомо превышала 120 м/сек. Для регистрации действительных скоростей был при­ менен электрический метод. При достаточно высокой темпера­ туре, разумеется, более низкой, чем температура плавления, поверхность образца покрывали специальным цементом, расплы­ вавшимся и создававшим после охлаждения тонкий изолирую­ щий слой. На этот слой наносили несколько нихромовых прово­ лочек диаметром 0,5' мкм, при разрыве которых трещиной аозникали электрические импульсы. Обычно использовали 3—6 проволочек: одна служила для запуска осциллографа и 2 — 5 — для снятия скачков потенциала. В результате 14 проведенных опытов было установлено, что минимальная скорость составляет 10 30 м/сек, максимальная 1 1 2 0 м/сек, а средняя 1 1 1 0 м/сек. Ошибка измерения оценивалась в 6 м/сек. Остаточная деформа­ ция, связанная с трещиной, оказалась очень малой — около 2%. Поверхность раскола имела структуру «елочки».

Аналогичные измерения проводил Робертсон [215], используя образцы, разрываемые по разработанному им методу [217]. Как известно, этот метод заключается в растяжении полосы металла с температурным градиентом в направлении, нормальном оси

69

растяжения. Применение кинокамеры со скоростью съемки в 4000 кадров в секунду не позволило засечь истинную скорость трещины, так как она превосходила 600 м/сек. Позднее другим путем было сделано приближение к истинному значению скоро­ сти. В качестве изолирующей прослойки Использовали бумагу, содержащую графит. Слой ее шириной 0,3 см нагревался в кон­ такте с образцом и спекался с ним. Десять проводящих полосок располагали с интервалом 2,4 см и покрывали слоем лака. Элек­ трическое сопротивление каждой полоски составляло 10 000 ом Импульсы подавались на электрические счетчики, способные за­ регистрировать интервал, равный 1 мксек.

При нагрузке 174 Мн/м2 (17,4 кГ/мм2) вблизи инициирую­ щего надреза была зарегистрирована скорость трещины 1800 м/сек. С уменьшением нагрузки до 104 Мн/м2 (10,4 кГ/мм2) скорость разрушения падала до 1200 м/сек. По мере удаления

соном электрический метод в приложении к металлам обладает крупным недостатком: подложка, применяемая для изоляции проводящего слоя от металла, должна обладать свойствами основного металла, т. е. пластически деформироваться и разру­ шаться одновременно с металлом. Эта задача практически невыполнима.

В нескольких работах [219—222] определяли поле напряже­ ний во времени вокруг бегущей в стали трещины. Остановимся на одной из них — работе Рольфа и Холла [220]. Авторы испы­ тывали стальные полосы размером 3 м X 1,8 м X 18 см (всего было исследовано 5 образцов). Содержание углерода в стали составляло 0,20%. Образцы разрушали на 1200-т испытатель­ ной машине в интервале температур от —3,9 до +4,4° С. Охла­ ждение осуществляли при помощи измельченного сухого льда, помещенного в ящики с обеих сторон образца. По достижении определенного напряжения в надрез, расположенный на краю образца, ударом вводили закаленный клин, инициировавший разрушение, пересекавшее затем образец.

Поверхностные напряжения и деформации вокруг вершины движущейся трещины измеряли 30 тензодатчиками, сгруппиро­ ванными в И участках. Данные регистрировались на осцилло­ графе с помощью 35-лш кинокамеры с движущейся кинопленкой. В целях определения скорости трещины, помимо тензодатчиков, на поверхность образца наносили шесть детекторов скорости, т. е. шесть тонких проводящих слоев, разрыв которых трещиной приводил к ступенчатообразному изменению напряжения и от­ мечался простым осциллоскопом. Обычно трещина, возникая у надреза, не шла сразу горизонтально, а отклонялась вначале несколько вверх. Часто на противоположном краю образца по­

70

являлись вторичные трещины и распространялись в сторону главных.

Кривые напряжения, полученные на всех датчиках имели острый максимум, отвечающий моменту прохождения трещины непосредственно под или над датчиком. До и после прохождения трещины через район датчика напряжения спадали до уровня исходных, вызванных растяжением на испытательной машине. Непосредственно на линии трещины или вблизи ее напряжения очень велики и спадают по мере удаления от трещины по верти­

кали.

После прохождения трещиной Уз ширины 180-сж пластины поле напряжений стабилизируется и в дальнейшем не меняется. Авторы отмечают, что во всех случаях, даже при очень высоких напряжениях, деформация была почти чисто упругой с ничтожно малой остаточной пластической составляющей после окончания процесса разрушения. Для пяти испытанных образцов скорость трещин лежала в пределах 550—1420 м/сек. Средняя скорость разрушения составляла 825 м/сек.

Аналогичная в методическом отношении работа проведена Каргиллом [224]. Разрывая на 1200-т машине стальные образцы, он регистрировал продвижение разрушения киносъемкой с ча­ стотой в 5800 кадров в секунду. Температуры достигали —40° С. В наиболее жестких условиях нагружения скорость распростра­ нения трещины составляла 1500 м/сек.

Известны две работы, в которых скорость трещин определяли магнитным методом [225, 226]. Будучи пригодным лишь для ферромагнитных металлов, этот метод заключается в следую­ щем. В стальном разрываемом образце сварочным генератором посредством соленоида создается магнитное поле, нормальное к направлению распространения трещины. Несколько небольших магнитных датчиков, расположенных вдоль предполагаемого направления распространения трещины, представляют собой П-образные сердечники с измерительной обмоткой, реагирующие на разрыв магнитной цепи. Возникающий электрический импульс усиливается и через трансформатор подается на искровой про­ межуток, одним из контактов которого служит быстро вращаю­ щийся измерительный барабан. Скорость вращения барабана предварительно тарируют. Зная ее, а также расстояние между смежными искровыми метками и ближайшими магнитными дат­ чиками, можно определить скорость процесса разрушения.

В работе Будберга и др. [225], поставленной с целью опреде­ ления возможных причин хрупкого разрушения цельносварных судов в годы второй мировой войны, исследования проводили при температуре 0° С. Испытывали надрезанные пластины раз­ личной ширины: от 72 до 2592 мм. Для 1728-ло* образцов ско­ рость трещины вблизи надреза составляла 1780 м/сек. На поло­ вине пути между надрезом и концом образца она была равна

71