книги / Физические основы торможения разрушения

в этом случае аналогичен полученному ранее. Сила FtJ, направлен­ ная перпендикулярно пачке, — отталкивающая, тормозящая раз­ рушение уже на расстояниях 10~3 см от полосы. Сила Fx, парал­

сила, отталкивающая трещину. Поведение Fx иное. С входом в зону фрагмента она не только меняет направление своего действия на противоположное, но скачком возрастает от 5 до 1000 дин/см. Естественно, что эта сила Fx оказывает на трещину преимущественное воздействие, так как она на два порядка выше FtJ. Именно действием Fx, вероятно, обусловлено изменение траектории разрушения.

Случаи 2 и 3 оптимальны для торможения трещины, и созда­ нием подобных систем скольжения на пути ее движения можно добиться полной остановки или программированного изменения траектории в нужном направлении.

Взаимодействие быстрых трещин с полосами Бриллиантова— Обреимова (ПБО). Исследования взаимодействия квазистатической трещины с ПБО дают основание полагать, что эти полосы будут эффективными барьерами и для более быстрых трещин. В связи с этим были проведены эксперименты по перфорированию этих де­ формационных эффектов быстрыми трещинами. Эксперимент выпол-

171

Установлена следующая закономерность: с ростом начальной скорости разрушения путь торможения увеличивается. Продол­ жительность остановки на полосе Бриллиантова—Обреимова — порядка десятка микросекунд; при подходе ко второй полосе тре­ щина останавливается полностью.

3. СТРУКТУРА СБРОСА

Сброс — один из видов пластической деформации материалов, связанный с поворотом участка кристаллической решетки. Повидимому, сброс играет значительную роль в деформации моно- и поликристаллов. В одном из первых обзоров работ, посвящен­ ных исследованию этого явления, А. А. Урусовская [190] приво­ дит материалы по образованию сбросов в минералах (слюда, кальцит), монокристаллах каменной соли, металлах (кадмий, цинк, железо). Зарегистрированы сбросы в монокристаллах гало­ генидов таллия и цезия.

По мнению М. В. Классен-Неклюдовой и А. А. Урусовской [191 ], сбросы — характерное проявление переориентации решетки при пластической деформации кристаллических, а также других анизотропных твердых тел. В отличие от классического явления

в широких пределах — от минут до 90°. При этом поворот решетки в сбросах связан с неравномерностью развития скольжения в объеме кристалла. Такой неравномерности, в частности, способ­ ствует неоднородность строения кристаллов и сложное напряжен­ ное состояние, связанное у поликристаллов, например, с грани­ цами зерен. При сжатии материалов инициирующим фактором в образовании сброса является трение на торцах сжимаемого об­ разца. При растяжении играют существенную роль зафиксирован­ ные в зажимах концы образцов. Во всех случаях поле напряже­ ний и ориентировка образца должны препятствовать скольже­ нию, но необязательно полностью его исключать.

В макроскопическом плане сброс представляет собой совокуп­ ность клиньев с решеткой, разориентированной на углы порядка 2°. Блэсдейл и др. [192] показали, что в середине сброса суще­ ствуют районы, ограниченные дислокационными стенками и содержащие деформированное скручиванием «ядро». При этом базисные плоскости кадмиевого кристалла внутри ядра образуют больший угол с осью растяжения, чем плоскости вне ядра. Форма последних часто имеет вид буквы S. Стадия деформации, на ко­ торой появляются ядра, зависит от размеров образца. Развитие сбросов исследовали [192], используя методику травления поверх­ ности кристалла. На ранних стадиях сброс не всегда устойчив и может исчезать в процессе растяжения. Полная стабильность достигается только на более поздних этапах.

Очередность событий при образовании и развитии сбросовой области такова:

173

а) при 5%-ной деформации появляются полосы с высокой плотностью ямок травления, обычно перпендикулярные к направ­ лению сдвига;

б) в условиях 10%-ного растяжения в полосах появляется

плотностью дислокаций расширяется и внутри него появляются две изогнутые плоскости противоположной кривизны; на этой же стадии возникает некоторое дополнительное скольжение, про­ низывающее сброс;

г) в условиях 20%-ной деформации центральный деформацион­ ный район развивается в двух плоскостях, охватывая область решетки, разориентированную по отношению к матрице; кривизна материала в области сброса продолжает нарастать; появляются многочисленные дислокационные стенки;

д) при деформации 30—40% ядро сброса вращается, разориентировка между ним и матрицей растет; основной контур ядра

Интересно, что ядра отнюдь необязательно возникают при сбросах. Наблюдались сбросы и без ядер. По мнению авторов работы [192], образование ядра связано с тем, что центральная часть сброса служит серьезным барьером на пути дислокаций, движущихся в плоскости скольжения, и они постепенно накап­ ливаются, разворачивая ядро относительно матрицы. Для последую­ щего развития явления важно то, что разориентировка ядра вы­ зывает образование в сбросе сжимающих напряжений.

Приведенная информация свидетельствует о том, что область решетки с полосой сброса является весьма искаженной, фрагмен­ тированной, отличается высокой плотностью дислокаций, вполне возможно сгруппированных в стенки, и содержит ядро — исклю­ чительно искаженную и разориентированную зону, создающую напряженное состояние сжатия. Все в целом это означает, что система дефектов типа сброса может быть серьезным барьером для движущейся трещины.

4. СБРОС —Б А Р Ь Е Р НА ПУТИ РАСПРОСТРАНЯЮ Щ ЕЙСЯ ТРЕЩИНЫ

В качестве материала использовали монокристаллический цинк. Выращен­

Характер распределения напряжений около дефектов изучали методом фотоупругих покрытий. Оптически активный композит на основе эпоксидной смолы ЭД-6 наносили в горячем состоянии на тщательно обезжиренную полированную поверхность образца. Толщина слоя должна быть существенно меньше размеров изучаемой области, поэтому образец с покрытием помещали между полирован­ ными стеклами и зажимали в струбцину. Покрытие в течение 12 ч полимернзовалось при 130° С, после чего кристалл просматривали в поляризованном свете

174

тировки, т. е. до 10°, граница сброса формируется 5-образным изгибом полос скольжения, что в свою очередь подтверждается

иинтерферометрическими исследованиями (рис. 68, а).

2.Трещина проходит барьер и разветвляется вдоль границы,

причем каждая ветвь идет по изогнутой атомной плоскости (рис. 68, б).

3. Скачкообразное движение трещины (рис. 68, в); такое дви­ жение можно объяснить наличием клиновидных прослоек в ядре сброса.

Определение характера распределения напряжений около сброса. Для наблюдения за взаимодействием трещины с полосой сброса из деформированного образца приготовляли фольгу тол­ щиной 0,5—0,8 мм, которую покрывали фотоупругим компози­ том. Затем наносили зародыш трещины, который расклинивали ножом, нагрузка на ноже фиксировалась емкостным датчиком. При приближении вершины трещины к границе переориентирован­ ной области измеряли изменение напряжения в зоне контакта в зависимости от нагружающего усилия. С повышением нагрузки напряженная область сужалась от 5 до 3 мм и возрастали напря­ жения.

Интенсивность просветления покрытия в вершине трещины в зависимости от нагрузки приведена на рис. 69. Растягивающие

переориентировки барьерный эффект увеличивается.

Для изучения напряженного состояния, создаваемого самим сбросом, на образец сначала наносили фотоупругое покрытие, а затем его деформировали сжатием. При освещении дефекта белым светом возникала картина, показанная на рис. 70. На фоне области, имеющей преимущественно красновато-коричневую окраску, просматриваются зеленые клиновидные участки. Для этих характерных зон методом компенсации были установлены направления и знаки главных напряжений. Оказалось, что в на­ правлении, перпендикулярном к предполагаемой траектории тре­ щины, которой обычно является плоскость базиса, действуют сжи­ мающие напряжения. Наличие области с таким распределением напряжений способно затруднить распространение трещины или сделать его невозможным.

Оценка взаимодействия трещины с полосой сброса. Дислока­ ционные модели сброса предложены многими авторами. Учиты-

Рис. 6 8 . Взаимодействие трещины с границей сброса

J76

• /,мкA

20

вая данные, которые получены экспериментальным путем при травлении и фотоупругом исследовании сброса в основу вза­ имодействия трещины с полосой сброса положена известная в ли­ тературе модель. Согласно этой модели, деформированная об­ ласть представляет собой 5-образно изогнутые линии скольже­ ния, кривизна которых определяется плотностью дислокаций. Схема модели приведена на рис. 71. Здесь граница сброса пред­ ставляется совокупностью вертикальных рядов дислокаций с раз­ личным направлением вектора Бюргерса в каждом из них. Из­ гиб линий скольжения определяется дугой окружности с централь­ ным углом 0, отвечающим разориентировке исходной и деформи­ рованной областей. Радиус кривизны R характеризуется числом дислокационных рядов п и расстоянием между ними h: R=nh/ sin 0.

Поле напряжений этой дислокационной конфигурации под­ считывали, суммируя напряжения отдельных дислокаций. Расчет упрощается благодаря тому, что в случае вертикальных рядов выражения для напряжений могут быть представлены в конеч­ ной форме [193]:

и вектором Бюргерса.

Таким образом, для получения интересующих нас значений напряжений нужно просуммировать приведенные выражения по

числу дислокационных рядов. Зная напряженное состоя­

Это означает, что граница переориентированной области пре­ пятствует распространению трещины. Эффект противодействия возрастает по мере продвижения головной дислокации в дефор­ мированную область и становится постоянным в неискаженном участке переориентированной зоны. Это связано с существова­ нием дальнодействующей компоненты полей напряжений дисло­ кационной модели.

Подводя итог, следует отметить, что полосы сброса служат препятствиями на пути разрушения. Это объясняется, во-первых, наличием сжимающих напряжений в теле сброса и, во-вторых, притормаживанием, которое вызвано эстафетным распростра­ нением трещины. Барьерный эффект тем сильнее выражен, чем больше угол разориентировки.

Расчет взаимодействия дислокационной трещины с границей деформированной зоны показывает, что на головную дислокацию трещины действует сила, направленная навстречу ее движению. Это означает, что продвижение трещины в образце, содержащем сброс, требует дополнительной энергии.

178