книги / Разрушение твердых тел

РАЗРУШЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Кначалу конференции по разрушению, состоявшейся в 1959 г.

вСвомпскотте12, имелось весьма мало систематических исследо­ ваний разрушения неметаллических твердых тел. За 'исключени­ ем исследований распространения трещин в LiF, о механизмах разрушения других неметаллических твердых тел было известно весьма немного. Было известно лишь, что трещины скола в про­ цессе деформации кристаллов MgO при комнатной температуре

кристалла, наличия границ зерен и от температуры, при которой производится нагружение. В настоящей статье дан обзор меха­ низмов зарождения трещин в твердых телах с ионной связью, имеющих решетку г. ц. к. Поведение другцх неметаллических кристаллов, в том числе ионных, с другой кристаллической струк­ турой, и материалов с ковалентными связями в данной статье рассматриваться не будет, так как пока еще они изучены недо­ статочно широко. Не будет рассмотрено и развитие трещин в связи с тем, что эта сторона проблемы поведения ионных кри­ сталлов со времени конференции в Свампскотте не получила до­ статочного развития.

ОБРАЗОВАНИЕ ТРЕЩИН

Становится очевидным, что в ионных кристаллах с решеткой типа каменной соли пластическое скольжение может привести к разрушению несколькими различными путями. Негомогенная природа процесса скольжения в каждом случае приводит к кон­ центрации напряжений, так что локальные области пластическо­ го сдвига оказываются включенными в упругодеформированную матрицу. С точки зрения феноменологии процесса можно выде­ лить два основных типа мест зарождения трещин: а) пересече­ ние полос скольжения между собой, б) пересечение полос сколь­ жения с границами зерен, полосами сброса или межфазовыми границами. Существование таких трещин — хорошо установлен-

1 Т. L. Johnston, Е. R. Parker.

2 Материалы конференции опубликованы в сб. «Атомный механизм ра3. рушения». Металлургиздат, 1963.

76

Тенденция к образованию трещин в местах пересечения по1 лос скольжения наиболее значительна при очень низких гомоло­ гических температурах (комнатная температура для MgO или 77° К у 1лР) при широких полосах скольжения и больших расстояних между полосами скольжения. В том случае, когда поло­ сы скольжения тонкие и распределены равномерно (этому условию может способствовать обдувка поверхности кристалла порошком SiC для создания многочисленных активных полупетель дислокаций), образование трещин в местах пересечения полос скольжения подавляется.

Характер специфического взаимодействия между дислокация­ ми, которое приводит при указанных выше условиях к зарожде­ нию трещин, до сих пор не установлен. Неясно, например, почему в процессе деформации MgO при комнатной температуре трещи­ ны возникают не у всех пересечений полос скольжения, и каковы особенности локальных условий, приводящих к образованию тре­ щины. Было высказано предположение [3] о том, что трещины {110} вызываются нагромождениями дислокаций у краев полос скольжения {110}. Однако это объяснение встречает некоторые трудности; так, неясно, почему трещины образуются только- в случае взаимопроникновения полос скольжения; трещины тако­ го рода не возникают в тех местах, где одна полоса скольжения блокирует рост другой. Более того, Уошборн с сотрудниками [7]’ с помощью электронномикроскопического исследования «на про­ свет» показал, что дислокации, движущиеся в ортогональных системах, не испытывают сильного взаимодействия. Обычно* взаимно блокируются лишь дислокации, движущиеся в пересе­ кающихся неортогональных системах. Аргон и Орован [8] выска­ зали предположение о том, что в участках, имеющих форму параллелограммов, ограниченных ортогональными полосами скольжения, происходит поворот решетки; это было подтвержде­ но рентгеномикроскопическими исследованиями. Границами та­ ких областей, следовательно, являются сбросы и они могут быть областями высокой концентрации напряжений, в которых зарож­ дается разрушение.,

\

Образование трещин на поверхностях раздела

Нет прямых доказательств того, что поверхность кристаллов, типа каменной соли при испытании в вакууме или в сухом возду­ хе является сколько-нибудь эффективным барьером для выхода дислокаций. Полосы скольжения, у которых вектор скольжения нормален к поверхности кристалла или составляет с ней некото­ рый угол, легко образуют поверхностные ступеньки. Однако в том случае, когда поверхность покрыта хрупким слоем, имеющим высокое сопротивление деформации, на поверхностях раздела,, где имеется тенденция к выходу краевых дислокаций, часто обра-

78

зуются трещины. Класс с сотрудниками [9] показали, что на по­ верхности кристаллов хлористого натрия в результате реакции с озоном, содержащимся в воздухе, образуется слой перхлората натрия, в котором трещины возникают относительно легко. По­ верхностные трещины легко распространяются в тело кристалла. Аналогично, если поверхность кристаллов NaCl или MgO не бы­ ла тщательно просушена после полировки и промывки, на ней остаются следы в виде пятен. На периферии таких пятен наблю­ дается развитие трещин после пластического течения [10}-, одна­ ко только на тех поверхностях, на которых имеется тенденция к выходу краевых дислокаций из тела кристалла. Такая особен­ ность поведения вполне согласуется с идеей о том, что полосы скольжения, образуемые дислокациями и заблокированные на поверхности раздела между телом кристалла и покрытием, со­ здают значительную концентрацию напряжений, которая может привести к разрушению. Предпосылки к образованию поверх­ ностных трещин отсутствуют, если поверхность ионного кристал­ ла не содержит микротрещин и загрязнений.

В последнее время было также изучено образование сбросов. Существуют два основных типа сбросов. В первом случае поворот решетки связан с пластическим выпучиванием, которое происхо­ дит при одновременном движении большого числа краевых дис­ локаций с одинаковыми векторами Бюргерса по параллельным плоскостям. Примеры подобного явления имеются для кристал­ лов йодид-бромида талия и йодида цезия [11]. Сбросы второго типа образуются в результате реакции между группами дислока­ ций, которые имеют различные векторы Бюргерса и движутся в неортогональных системах. Сбросы такого типа обычно возни­ кают в условиях стесненности деформации, например из-за тре­ ния по торцам испытываемых на сжатие образцов, или в случае стесненности деформации на боковых поверхностях при испыта­ ниях на изгиб в связи с градиентом напряжения [12— 14]. Влия­ ние сбросов первого типа на образование трещин не привлекало большого внимания исследователей, но Стокс с сотрудниками [14J недавно отметили значение сбросов второго типа при разруше­ нии монокристаллов, подвергаемых изгибу; градиент напряже­ ний при боковом сжатии в результате пластического изгиба при­ водит к возникновению поперечных растягивающих напряжений; эти напряжения приводят иногда к образованию сбросов по уг­ лам образца; на рис. 2, а показаны сбросы, возникшие по углам кристалла LiF, изогнутого при 490° С. Сбросы состоят из рядов краевых дислокаций с векторами Бюргерса типа (а/2) [ПО], ле­ жащих в плоскости [112]. Каждая дислокация ряда образуется в результате следующей реакции [15]:

-~ГК)1] + _ 5 _ [ 0 Г П ^ ^ Г п ° ] .

Другой важный пример зарождения трещин в результате пластического течения — случай взаимодействия полос скольже­ ния с границами зерен. Вествуд [16] впервые наблюдал образова­ ние трещин по границам зерен в бикристаллах MgO, подвергае­ мых сжатию при комнатной температуре. Он обратил внимание на возможность образования таких трещин в результате кон­ центрации напряжений, вызываемой двумя полосами скольже­ ния, расположенными по обе стороны границы, как это схема­ тично показано на рис. 3.

Недавно Джонстон с сотруд­ никами [17] показал, что концентрация напряжений, вызываемая только одной

полосой скольжения, также способна вызвать зарождение тре­ щины на границах бикристалла MgO, деформируемого при ком­ натной температуре. Кларк с сотрудниками [18] приводят данные, подтверждающие эту точку зрения. Ориентация начальной тре­ щины по отношению к породившей ее полосе скольжения может изменяться в широких пределах. Она зависит от вида напряжен­ ного состояния, созданного приложенной нагрузкой, и от степени разориентации зерен. Трещина, зародившаяся у вершины полосы скольжения, может развиваться вдоль границы, или распростра­ няться в самом зерне по плоскостям (100) или (ПО). На рис. 4 схематически показана форма наблюдавшихся в эксперимен­ тах [17] трещин1. Если имеется сжимающая компонента напря­ жений, действующих поперек границы (рис. 4), образование интеркристаллитной трещины вероятно лишь для случая больше-

1 По данным Р. Стокса и У. Ли, а также Р. Ку и Т. Джонстона.