книги / Физические основы торможения разрушения
..pdfНробоя промежутка в жидкости возникала ударная волна, которая передавалась раскалывающему ножу 3. Усилия нагружения регулировали изменением напря жений на конденсаторе механизма гидроудара. Нагрузку на ноже в процессе разрушения регистрировали пьезодатчиком 4, сигнал с которого записывался запоминающим осциллографом 5 типа С1-29 и затем фотографировался с его экрана. Осциллограф запускали в момент подачи напряжения на камеру электро гидроудара. Фоторегистрацию процесса разрушения осуществляли сверхскорост ной кинокамерой 6 типа СФР-2М, а для освещения использовали импульсную лампу ИСШ-ЮО-ЗМ. Напряжение на испытательный конденсатор на время раз рушения подавали от каскадного генератора Маркса 8 или повышающего импульс ного трансформатора. Синхронная с процессом разрушения работа узлов уста новки обеспечивалась блоком синхронизации 9, а также выбором момента подачи высоковольтного инициирующего импульса от СФР.
Накладываемое электрическое поле имело различную геометрию. Четыре
варианта положения образца в испытательном конденсаторе показаны на рис. 73, б—д.
Первоначально камера СФР-2М работала в режиме лупы времени с частотой съемки 625 тыс. кадров в секунду, однако относительно невысокое разрешение по времени (— 1,5 мкс) и, как следствие, большая погрешность обработки кинограмм заставили перейти вспоследствии к режиму фоторегистратора с линейной по времени разверткой. С этой целью камера была модернизирована: вместо объектива Р02-2М был установлен объектив И-23, узел щели был передвинут на 60 мм по направлению к входному объективу И-51 и для увеличения масштаба съемки перед входным объективом была установлена линза с F = 15 см.
Режим фоторегистрации дал возможность существенно увеличить разреше ние по времени (до 10~7 с) и получить непосредственно кривую пути, пройден ного трещиной в функции времени, а после дифференцирования — и график скорости.
Первая серия из 50 опытов была выполнена с наложением электрического поля лишь на часть образца (рис. 74, а), при этом была поставлена задача установить влияние внешнего электричес кого поля на темп движения трещины при достижимых на воздухе напряженностях (13— 15 кВ/см). Результаты испытаний (графики пути, пройденного трещиной в функции времени) приведены на
рис. 74, а |
1211 ]. |
|
Кривые |
1— 4 относятся |
к контрольным образцам, разрушав |
шимся в отсутствие поля. |
В зависимости от усилия нагружения |
7777?
8
S* 0-1
д
Рис. 73. Принципиальная схема установки для исследования кинетики раскола мо нокристаллов во внешнем электрическом поле
180
К flic
Рис. 74. Разрушение кристаллов в неоднородном электрическом поле:
а — кинетика разрушения в неоднородном электрическом поле Е & 10 кВ/см (1— 4 без поля; 5—8 — продольное поле, направленное навстречу движению трещины; 9, 10 — поперечное поле); б — зависимость скорости роста трещины (о) от параметра а (отноше ние толщины меньшей откалываемой части ко всей ширине кристалла) в однородном
поле Е = 10 кВ/см |
(/ — без |
поля, v — — 50 + 1090 а |
м/с; 2 — в продольном поле, на |
|||
правленном вдоль |
движения |
трещины; v = |
130 + |
905 а м/с; 3 — в продольном поле, |
||
направленном против движения трещины; v = |
540 + |
2240 а м/с; 4 — в поперечном поле, |
||||
направленном от тонкой части образца к толстой; |
v = |
-—205 + |
1420 а м/с; 5 — в попе |
|||
речном поле, направленном от толстой части образца |
к тонкой; |
v = — 145 + 710 а м/с; |
||||
6 — без поля, расчетная) |
|
|
|
|
|
скорость разрушения изменялась в довольно широких пределах: от 150 до 800 м/с и на всем протяжении трещины оставалась при близительно постоянной. При этом отчетливо наблюдалась за кономерность: чем жестче было нагружение, тем больше станови лась скорость разрушения и меньшими были ее колебания.
Типичные регистрограммы и осциллограммы усилия на ноже в этом случае показывают, что до начала разрушения нагрузка монотонно нарастала, достигая максимума к моменту старта тре щины, и в процессе ее движения сравнительно монотонно падала до нуля.
Образцы, характеризуемые кривыми 5—8, разрушались с на ложением на часть кристалла электрического поля, направлен ного против движения трещины (рис. 74, а). Разрушение в зоне действия поля происходило со скоростью, в 1,5—4 раза меньшей, чем до входа в поле. Нагрузка при этом изменялась сложно. В момент старта трещины она начинала убывать, однако при за медлении темпа разрушения нарастала снова до величины, со ставлявшей 0,6—0,8 критической. Наложение поля вдоль направ ления движения трещины не давало заметного эффекта.
Образцы 9, 10 разрушали при наложении локального поля, ортогонального к плоскости скола (рис. 74, а), при этом наблю далось резкое уменьшение скорости разрушения (от 5 до 10 раз) в зоне действия поля. Внезапная остановка трещины приводила к резкому нарастанию нагрузки на ноже. При этом раскалываю щее усилие после некоторого спада достигало первоначальной величины, т. е. той, при которой стартовала трещина. Поскольку трещина к этому времени успевала пройти некоторое расстояние, момент расклинивающей силы был больше начального и трещина, несмотря на остановку, продвигалась дальше.
Этот эффект наблюдали в 25—30% случаев. В остальных слу чаях не было замечено никаких изменений темпа разрушения или
181
было обнаружено незначительное увеличение скорости (в 1,1— 1,3 раза). Однако в первой серии опытов неоднородность электри ческого поля и краевые эффекты в испытательном конденсаторе не давали возможности проанализировать распределение зарядов на движущейся трещине.
Впоследствии расстояние между обкладками испытательного конденсатора было значительно увеличено и испытания прово дили в однородном поле (рис. 73, г и д). Напряженность поля поддерживали во всех опытах постоянной и равной 10 кВ/см. В однородном продольном и поперечном электрическом полях была выполнена серия экспериментов, в результате которых было выяснено, что основным фактором, влияющим на поведение тре щины скола в LiР в этих условиях, является несимметричность раскола образца.
На рис. 74, б показаны зависимости скорости разрушения v в функции параметра а (под а понимается отношение толщины меньшей откалываемой части ко всей ширине кристалла). Каждый из графиков построен методом наименьших квадратов по 15—20 точкам в предположении линейной зависимости v от а. Скорость трещины измеряли на расстоянии 1 см от ее начала и она была
практически постоянной при длинах трещины от |
0 до |
1,5 см. |
||||
С целью |
уменьшения разброса |
скоростей |
разрушения |
от |
опыта |
|
к опыту |
энергию гидроудара |
и размеры |
образцов |
4,5 |
X 2,5 X |
X 20 мм (с точностью до 0,2 мм) поддерживали постоянными. Из приведенных на рис. 74 данных следует, что существует
зависимость скорости трещины скола в LiF от внешнего электри ческого поля. При этом в равных по величине электрических по лях эффект торможения трещины выражен больше, чем эффект ее ускорения.
Изменение скорости разрушения в электрическом поле пред положительно может быть обусловлено, по крайней мере, следую щими обстоятельствами:
1. Изменением структуры кристалла в электрическом поле, приводящим к его упрочнению или разупрочнению.
2.Взаимодействием поля с вершиной трещины, в которой мо гут протекать процессы микропластичности дислокационного характера.
3.Электростатическим взаимодействием заряженных берегов трещины с внешним электрическим полем.
Рассмотрим подробнее перечисленные выше возможные при чины эффекта.
Из литературы хорошо известно, что в полях напряженно стью 10 кВ/см дислокации могут перемещаться на значительные расстояния. Однако для этого необходимы выдержки, измеряемые десятками минут. Электрические поля могут создавать в кристалле области с повышенной концентрацией вакансий одного знака (например на границах блоков), что приводит к изменению проч ностных характеристик кристалла. Диффузионный механизм
182
перемещения вакансий в электрическом поле требует также зна чительного времени. Поле же во всех наших опытах включалось одновременно с нагружением на 0,5—1 мс и не могло вызвать за метных изменений структуры кристалла. Экспериментальная проверка подтвердила, что скорость разрушения не изменяется при обработке части кристалла электрическим полем (образец выдерживали в поле от нескольких секунд до 30 мин, непосред ственно перед нагружением поле снимали и образец подвергали разрушению).
Непосредственно экспериментально разделить влияние вто рого и третьего факторов не представлялось возможным. Однако предварительная оценка величины заряда на трещине, способного оказать заметное влияние на скорость разрушения, дает значе ния 102—103 ед. CGSE заряда. Если представить вершину тре щины в виде стенки дислокации и учесть влияние электричес кого поля на заряд, переносимый дислокациями (заряд на еди ницу длины дислокаций в LiF ~10~4 CGSE/см), то потребуется 10е— 107 дислокаций, что явно нереально. В случае распределе ния такого же числа дислокаций на плоскостях скола получим плотность —107 см-2, что вполне допустимо.
Таким образом, представляется наиболее вероятным электро
статическое |
взаимодействие |
берегов вскрывающейся трещины |
с внешним |
электрическим |
полем. |
Из анализа рис. 74 видно, что приложение продольного поля приводит к расщеплению зависимости скорости v от параметра а. При этом чем несимметричнее раскол и чем меньше а, тем рас щепление заметнее. Сопоставление коэффициентов наклона зави симостей v == f (а) для графиков 7, 2 и 3 показывает, что ориен тировка вектора электрического поля по направлению движения трещины дает незначительное ускорение разрушения, а в проти воположном направлении — заметное его замедление. Влияние однородного поперечного электрического поля сводится также к расщеплению графика зависимости скорости разрушения на два в зависимости от ориентировки поля. Такое изменение ско рости разрушения можно объяснить наличием противоположно заряженных участков на берегах вскрывающейся трещины, электростатическое взаимодействие которых с внешним электри ческим полем приводит к изменению работы разрушения.
Поверхностную плотность зарядов а, образующихся в про цессе скола, рассчитывали в предположении, что изменение ско рости трещины во внешнем электрическом поле обусловлено лишь электростатическим взаимодействием поверхностных зарядов с полем.
Механику процесса несимметричного скола рассматривали на основании баланса энергии при разрушении [211—213], учитывая указанное взаимодействие берегов трещины с внешним полем. Метод энергетического баланса обеспечивает вполне достаточное приближение, так как ранее было показано, что он дает по
т
существу тот же результат, что и анализ напряжений в вершине трещины.
Допустим, кристалл, претерпевающий несимметричный скол, находится в однородном поперечном электрическом поле напряженностью Е' . Считаем кристалл однородным, изотропным и имеющим ясно выраженную плоскость скола. Каждое из «плеч», разделяемых трещиной, имеет длину L и рассматривается как консоль, защемленная с одного конца. Сила F создает изгибаю щий момент М (х), который распределен вдоль длины балки:
М (х) = F (L — х); 0 < х < L.
В соответствии с простой теорией балки энергия деформации раскалываемых частей
U = l/t + |
£ /,= |
|
+ |
- щ |
- ) |
J м ' W dx = |
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
_ |
F4.® |
Г 1 , |
1 |
] |
|
|
|
” |
6Е |
L h |
h |
r |
|
|
|
где / х = wxt\! 12 |
и |
I %— |
w2t\l\2 — моменты инерции попереч |
||||
ного сечения. |
|
|
|
|
|
||
Прогиб каждой балки в точке приложения расклинивающей |
|||||||
силы |
|
|
|
|
|
|
|
Ь - дЛ |
• |
б |
!_• |
б - |
FL3 |
||
“ |
dF x=L ’ |
01 “ |
3Е1г ’ |
°2 "" |
3Eh • |
Энергия образующейся поверхности S равна удельной по верхностной энергии у, умноженной на площадь вскрывающейся поверхности:
S = 2yLw.
Вследствие движения трещины (со скоростью v) балка имеет также некоторую кинетическую энергию Т, связанную с переме щением ее частей в направлении у . Так как скорость в направле нии у составляет dbldt, кинетическая энергия
т = 4 - m |
= 4 pw t\ § dx- |
|
о |
После подстановок
(здесь Vs — скорость продольных звуковых волн) получим
J84
Работа раскалывающей силы F
A - F < b + V - i g { ± + - j - ) - * .
Работа по перемещению зарядов на полостях трещины fio внешнем электрическом поле Е'
L
G — ± a w E o j [бА(х) И- 6.2 (х2)1 dx = ± - ^ Fl* + - ^ ) .
При оценке величины G предполагалось, что поверхности скола заряжены разноименно с одинаковой и постоянной по длине трещины плотностью. В этом приближении под о подразуме* вается плотность зарядов на одной стороне скола, усредненная по большому числу блоков электрической мозаики. Интегриро вание проводили по всей длине трещины L, поскольку при любых возможных в испытуемых образцах L вскрытие + 6 2 не пре вышало размеров блоков мозаики. Знак перед G зависит от ори ентировки поля Е '.
Составим функцию Лагранжа:
Согласно условию начала движения трещины по Гриффитсу, энергия деформации и работа приложенной силы должны дать поверхностную энергию трещины. Это значит, что
S + U = F [ ( х) + 6 2 (*)].
Последнее дает возможность выразить неизвестную силу через критическую длину трещины L* (за которую была принята длина зародыша):
Подставив в уравнение Лагранжа |
|
|||
_д_ /д А \ |
дА |
п |
|
|
dt \ |
dv ) |
dL ~ |
и |
|
значение |
лагранжиана, введя критическую |
длину трещины L* |
||
и выполнив |
необходимые преобразования |
(начальные условия |
185
i = 0, |
v = 0, |
L — L*), |
йблучйм уравйейиё движения трещины |
а — |
5у2 |
|
1 |
2L |
12L3 |
'Л
5aw E v^L*
= 0,
~16L2 Y 12уа)£
где « — ускорение трещины.
При Е = 0 зависимость скорости разрушения v от параметра а, рассчитанная по уравнению движения (кривая 6 на рис. 74, б), очень близка к экспериментальной. Это обстоятельство позволяет, воспользовавшись уравнением движения и экспериментальными зависимостями v = f (а) (кривые 4 и 5 на рис. 74), рассчитать плотность зарядов о в функции а. Соответствующий график дан на рис. 75.
Рассчитанные плотности зарядов отличаются на 2—3 порядка
от измеренных в равновесных условиях или после |
разрушения |
|
и достигают |
103CGSE/CM2. Однако это значение |
а совпадает |
с оценкой, |
сделанной по результатам измерений, |
проведенных |
в условиях динамического скола (например, по энергии электро нов, эмиттирующих в процессе быстрого разрушения).
В предположении линейной зависимости роста работы разру шения, связанной с наложением электрического поля, от его ве личины легко подсчитать необходимую для полной остановки
трещины напряженность Е. При а — 0,35 ч-0,4 |
она составляет |
||||
~ -50 кВ/см. |
оценку |
величины |
поля, |
необходимого |
|
Приведенную ранее |
|||||
для |
полной остановки |
трещины |
(имеющей |
начальную скорость |
|
уо ^ |
500 м/с), проверяли экспериментально. Для |
создания тор |
|||
мозящих трещину барьеров на |
разрушаемый образец (размером |
2,5x5x25 мм) накладывали импульсное электрическое поле. При
|
|
испытании одной части образцов |
поле со |
|||||
|
|
здавалось между пластинами плоского кон |
||||||
|
|
денсатора |
и |
было однородным |
по длине |
|||
|
|
образцов, |
при испытании другой — между |
|||||
|
|
двумя |
электродами, |
лежащими |
в одной |
|||
|
|
плоскости, |
т. е. оно |
было локальным по |
||||
|
|
отношению к трещине. В |
обоих случаях |
|||||
|
|
Е — 50 кВ/см, а вектор |
напряженности |
|||||
|
|
нормален |
к |
плоскости |
скола. |
Образец |
||
|
|
с электродами помещали в кювету с про |
||||||
|
|
зрачными стенками, заполнявшуюся транс |
||||||
|
|
форматорным маслом или этиловым спир |
||||||
|
|
том. На рис. 76 приведены обработанные |
||||||
Рис. 75. |
Плотность поверх |
регистограммы для типичных опытов (всего |
||||||
ностных зарядов а в зави |
было |
разрушено 60 |
образцов). |
|
||||
симости |
от параметра а |
|
186
L, мм
Рнс. 76. Кинетика разрушения в электрическом поле напряженностью Е = 50 кВ. Гори зонтальная штриховая линия — положение электродов, создающих локальное поле
В отсутствие поля скорость трещины была практически по стоянной и в зависимости от нагрузки на раскалывающем ноже и несимметричности скола имела значение 400—800 м/с (образцы /, 2).
В однородном поле при начальных скоростях трещины v0 = = 800 м/с (образцы 3—5) разрушение тормозилось монотонно и тем быстрее, чем меньше было а. Так, для образца 5 (а = 0,3) скорость разрушения в поле зрения СФР снизилась в 4,5 раза. С уменьшением v Qдо 400—500 м/с наблюдались остановки, про должительность которых также возрастала с падением а (об разцы 6, 7).
Зависимость темпа разрушения в электрическом поле от а свидетельствует об электростатической природе сил торможения трещины. С уменьшением а электризация поверхностей скола уси ливается, а следовательно, возрастает и работа преодоления элек трических сил. При уменьшении скорости разрушения до 60 м/с и ниже, как известно, трещина начинает генерировать ди слокации, что требует дополнительных затрат энергии на рас пространение разрушения. Однако вследствие особенностей на гружений остановки трещины на время, достигавшее 100 мкс, не заканчивались полным прекращением разрушения, поскольку усилие на раскалывающем ноже нарастало во время остановки и в конце концов трещина продвигалась дальше. Лишь в предель ных случаях малых а (0,3—0,35) и v0 (300—400 м/с) трещина пол ностью останавливалась, что сопровождалось частичным ее за хлопыванием скачком или в колебательном режиме (образцы 8, 9). При этом трещина «залечивалась» на величину от 0,5 до 1 мм (рис. 76).
187
Торможение локальным поперечным полем приводило к ана логичным результатам (образцы 10—15), но имело и некоторые особенности. Скорость трещины падала, как правило, скачко образно и почти отсутствовали участки с монотонным ее измене нием. При этом трещина успевала проходить до остановки неко торое расстояние за плоскость электродов, причем тем большее, чем больше было а. Очевидно, существенного рассеяния зарядов за это время не происходило и момент сил электрического проис хождения относительно вершины трещины рос пропорционально h. В связи с этим при меньших а требовались и меньшие h для оста новки трещины. При v = 400 м/с и а = 0,8-т-0,4, как и в одно родном поле, наблюдались случаи полной остановки трещины (образец 15), т. е. кристалл до конца не разрушался.
Избирательным травлением разрушенных образцов обнару жено следующее:
1. Плотность дислокаций на боковых поверхностях не изме нялась по сравнению с исходной *.
2. На свежих плоскостях скола места остановок трещины отмечены скоплениями дислокаций.
3. Повышенная плотность дислокаций в местах остановки трещины не связана с какими-либо структурными дефектами (суб границами, полосами скольжения и др.), имевшимися в исходном кристалле, а обусловлена только изменением ритма разру шения.
4. Плотность дислокаций в местах остановки трещины увели чивается с ростом продолжительности этой остановки, достигая в предельном случае 107 см“12.
Из рис, 76 видно, что место остановки трещины может нахо диться вне зоны действия поля, где можно пренебречь его влия нием, а время остановки можно регулировать, изменяя условия нагружения и геометрию образцов. Это создает возможность ис следования динамики релаксации напряжений в вершине тре щины, изменяющей скорость, и изучения подвижности дислока ций в поле ее напряжений.
Таким образом, наложение внешних электрических полей соответствующей конфигурации и вполне умеренной напряжен ности (Е = 58 кВ/см) позволяет тормозить и полностью останав ливать быструю трещину скола в LiF.
2. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СВОЙСТВА М ЕТАЛ Л О В
Рассмотрим отдельные явления, возникающие в проводниках под действием электромагнитного поля (ЭМП) и потенциально способные повлиять на характер зарождения и распространения
1 Исходная плотность дислокаций в образцах (без учета дислокаций суб границ) составляла 104 см-2.
188
разрушения. Эти явления целесообразно условно разделить на две группы:
1) существующие при постоянных или слабо переменных полях;
2) проявляющиеся только в результате генерирования им пульсных полей [под импульсными нами подразумеваются такие кратковременные поля, глубина проникновения (скин-слой) ко торых меньше, чем в случае поперечных токонесущих провод ников).
Вполне естественно, что явления, возникающие при наложе нии постоянных полей, наблюдаются и при импульсных полях, однако в последнем случае их, как правило, трудно обна ружить.
Из явлений первой группы отметим три: изменение энерге тического спектра чистого бездефектного вещества под действием магнитного поля, влияние тока (потока электронов), вызванного
наложением электрического |
поля, на подвижность дислокаций |
и тепловое воздействие тока, |
а из второй — поведение металлов |
в импульсных электромагнитных полях (ИЭМП).
При электронных переходах в магнитном поле происходят существенные изменения магнитных, тепловых, оптических и ме ханических свойств веществ [214]. Наложение достаточно силь ных магнитных полей позволяет изменять основные механические и термодинамические константы материалов в заданном направ лении, что, естественно, представляет огромный интерес с точки зрения проблемы управления прочностью и разрушением твер дых тел.
Электронные переходы наблюдаются (в легко достижимой об ласти магнитных полей до 500 кЭ) у веществ с малой энергетичес кой щелью между зонами или малыми перекрытиями зон. При увеличении предела достижимых полей класс веществ, у кото рых можно будет наблюдать электронные переходы, естественно, расширится.
В работе Г215] была рассмотрена задача о влиянии дрейфую щих по решетке электронов проводимости на движущиеся в на правлении дрейфа дислокации. Было показано, что возникает ускоряющая сила в случае превышения скорости дрейфа электро нов над групповой скоростью упругих волн, вызываемых дви жущимися дислокациями. Противоположный эффект может воз никать, если движущееся упругое поле дислокаций возмущает равновесное распределение электронов. При этом возврат электро нов к равновесию сопровождается появлением диссипативной силы, препятствующей движению дислокаций. Наиболее инте ресна возможность ускорения дислокаций через подсистему электронов. При условии механического подталкивания дисло каций можно ожидать, что через подсистему электронов удастся ускорить их движение и облегчить пластическую деформацию металла.
189