книги / Разрушение твердых тел

(Л), дает вклад в общее удлинение образца в процессе пласти­ ческой деформации, либо развиваясь в продольном направлении при неизменной величине радиуса закругления у вершины (рщс. 8, б), либо, чаще, раскрываясь (рис. 8, в). Первый из этих случаев соответствует хрупкому разрушению, так как уже при весьма малой пластической деформации трещина развивается с большой скоростью и быстро достигает критических размеров по Гриффитсу. Второй — вязкому, ибо размер трещины в направ­ лении, перпендикулярном приложенному напряжению, не уве­ личивается и происходит притупление трещины в результате пластической деформации. Вообще поведение материала при какой-либо температуре можно рассматривать как результат комбинации двух предельных случаев; по мере повышения тем­ пературы происходит постепенный переход от предельно хруп­ кого механизма роста трещин к пластическому. В настоящем разделе будут описаны признаки этого перехода в каменной со­ ли и обсуждены особенности хрупкости при наличии надреза и хрупко-вязкого перехода для каменной соли и других аналогич­ ных материалов.

Рост микротрещин при комнатной температуре в каменной соли

Комнатная температура в условиях принятых здесь малых скоростей деформации (~ 1 0 ~ 5 се/с~1) является приблизительно средней температурой перехода каменной соли от вязкого состо­ яния к хрупкому. Поэтому прежде всего рассмотрим подробно рост трещин при этой температуре.

На рис. 10 приведен внешний вид поверхности разрушения в области источника разрушения для образца, предварительно подвергнутого обдувке абразивом по поверхности (100) (Л) и затем деформированного при комнатной температуре. Здесь представлен в увеличенном виде участок поверхности, располо­ женный сразу же за участком, показанным стрелкой на рис. 7, а.

Приведенная на рис. 10 структура достаточно типична и весь­ ма че?ко показывает, что трещина развивается скачками. Пороги на сколе показывают положение границы микротрещины в мо­ мент ее остановки. На рис. 10, а в направлении [010] четко виден ступенчатый характер поверхности разрушения, причем каждая ступенька совпадает с положением границы остановившейся микротрещины. Ее интерпретация будет дана ниже. На рис. 10, б наблюдаемая картина представлена схематически.

Втечение каждого периода микротрещина была неподвижна

ипроисходили некоторые изменения в топографии поверхности разрушения, связанные с продолжением пластической деформа­ ции. Прежде всего на поверхности разрушения вокруг микротре­

щины образуются ступени, что является непосредственным след-

111

но ранее, такая микротрещина не вызывает затруднения пласти­ ческой деформации и признаков появления ступенек или волни­

вом по поверхности (010) (£ ), разрушается от источника на этой поверхности (рис. 7, б); изучение поверхности разрушения в этой области при больших увеличениях (рис. 14) позволяет уточнить механизм роста трещины. Характер поверхности разрушения в области роста трещины аналогичен характеру поверхности, свя­ занной с «прерывистым сколом», наблюдавшимся в других кри­ сталлах, имеющих структуру каменной соли [15]. Прерывистый скол возникает вследствие медленного прерывистого продвиже­ ния трещины скола, сопровождающегося значительной пластиче­ ской деформацией перед фронтом трещины и за ним и оставля­ ющего рифленую поверхность скола. На рис. 14 можно видеть, что происходящий с большой скоростью скол внезапно зарожда­ ется в какой-либо периферийной точке медленно развивающего­

(Л), видимо, в результате более высоких значений напряжений:

шийся скол весьма быстро развивается в направлении [010] па­ раллельно плоскости скольжения, но с большим трудом пересе­ кает винтовые дислокации, имеющие ориентацию [100]. Возникающая при этом дополнительная плоскость замедляет развитие скола и делает поверхность разрушения весьма не­ ровной.

Рост микротрещин в каменной соли при температуре ниже комнатной

При температурах ниже комнатной поперечное и волнистое скольжение в каменной соли резко затрудняются. Вследствие этого, концентрация пластической деформации, создаваемая микротрещинами на поверхности (100) (Л), не будет ослаблять­ ся и трещины развиваются в направлении [100] почти непрерыв­ но. Таким образом, микротрещина по поверхности (100) (Л) не­ посредственно после пластической деформации 2% при темпера­ туре жидкого азота (рис. 3, а) имеет значительно большую длину, чем после деформации 10— 15% При комнатной темпера­ туре (рис. 5). Мы считаем, что этот эффект изменения вида скольжения можно объяснить весьма высокой чувствительно­ стью к надрезам поверхности (100) (Л) при температуре жид­ кого азота.

116

Легко видеть, что трещина скругляется и претерпевает пла­ стические надрывы в точках, в которых она имеет почти прямо­ угольный профиль. Дри этой температуре рост микротрещин не может привести к хрупкому разрушению.

Подведем итоги влияния температуры на механизм роста микротрещин по поверхности (100) (Л).

1.При низких температурах, когда скольжение происходит по плоскостям {НО}, а поперечное скольжение невозможно, кон­ центрация пластической деформации, вызываемая микротрещи­ нами, не может ослабляться и трещина развивается в результа­ те пластического течения до критических размеров, достаточных для хрупкого разрушения. Такое поведение характерно для ка­ менной соли при температуре жидкого азота.

2.При промежуточных температурах, когда при особых усло­ виях может наблюдаться образование ступенек и волнистого скольжения, концентрация пластической деформации постепен­ но ослабляется, но напряженное состояние у вершины трещины

вконечном итоге становится критическим и трещина переходит

вновое положение. Этот процесс повторяется до тех пор, пока микротрещина не достигнет критического размера, достаточного для хрупкого разрушения. Для каменной соли такое поведение характерно при комнатной температуре.

3.При высоких температурах, когда скольжение легко может менять направление и наблюдается массовое волнистое скольже­ ние, ослабление концентрации пластической деформации проис­ ходит легко и микротрещина лишь раскрывается в результате пластического разрыва у ее концов. Для каменной соли такое поведение характерно при температурах выше 100° С.

Чувствительность полухрупких материалов к микронадрезам, следовательно, зависит от вида скольжения, который изменяется

стемпературой и определяет хрупко-вязкий переход. Поведение MgO и Те при комнатной температуре позволяет отнести их к

первой группе (см. рис. 2 для теллура).

Большое влияние волнистого скольжения на хрупко-вязкий переход в ионных материалах отмечалось в ряде работ. Оно иг­ рает важную роль в ослаблении концентрации пластической де­ формации, развивающейся в поликристаллических материалах \ и определяет энергию, поглощаемую при распространении тре­ щины [15]. Характер скольжения, видимо, является наиболее важным параметром, определяющим хрупкость полухрупких ма­ териалов.

ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Теперь, когда дана оценка роли пластической деформации в развитии микротрещин или дефектов в каменной соли, можно

1 По данным Р. Стокса и С. Ли.

объяснить ряд наблюдений, проведенных на этом материале, на основе того же механизма. Последний также будет кратко рас­ смотрен.

Эффект Иоффе

В более ранней работе автора [7] было высказано предполо­ жение о том, что термин «эффект Иоффе» следует применять только для описания действия растворителя на изменение меха­ нических свойств за счет растворения и удаления поверхностных дефектов. Было показано, что чувствительность поверхности к дефектам зависит от ее ориентации по отношению к вектору сдвига; и, действительно, если создать дефекты на поверхности, параллельной вектору сдвига, то они почти не оказывают вред­ ного влияния на механические свойства кристалла. Тогда эффект Иоффе в известном смысле является анизотропным, что наибо­ лее хорошо заметно для плоскости (100) (Л) (рис. 1, а).

В работе [7] было также показано, что отполированные водой кристаллы каменной соли могут быть снова охрупчены какимилибо выделениями на их поверхности. Тенденция к развитию трещины под действием выделений не зависит от ее ориентации по отношению к вектору сдвига. Хотя одно время различие свойств связывали с механизмом зарождения трещин, мы при­ шли теперь к заключению, что это различие может быть также непосредственным следствием концентрации пластической де­ формации. Этот эффект можно продемонстрировать следующим образом: отполированный водой и просушенный кристалл камен­ ной соли слегка смачивается водой по двум ортогональным по­

Свойства кристаллов

До сих пор мы описывали только поведение кристаллов ка­ менной соли, содержащих поверхностные дефекты. Интересно рассмотреть их свойства при отсутствии таких дефектов. Как оказалось, приготовить кристаллы, поверхность которых совер­ шенно не содержала бы дефектов, или выделений, крайне труд­ но, и большинство кристаллов удавалось растянуть ли ш ь^о де­ формации 35%• При такой деформации наступало разрушение, зарождавшееся у мельчайших дефектов, которые развивались в плоскости (100) (Л). Однако некоторые кристаллы удавалось деформировать без разрушения на 40—50%• Их поверхность разрушения была аналогичной той, что показана на рис. 7, в. Интересно отметить сходство картин, представленных на

119