книги / Физические основы торможения разрушения

По мнению Ланга, здесь существует несколько угловых интер­ валов, показывающих связь между межзереиным изломом и о. При углах 6 = 0 ступени не образуются и дробления фронта тре­ щины не наблюдается. В диапазоне 0° < б < 16° высота ступеней растет. Фронт трещины дробится тем ближе к границе, чем больше б, и примерно при б = 12° начинается непосредственно на границе. При б > 16° дробление происходит на границе и обра­ зуется крайне неровная поверхность излома, характеризуемая двумя особенностями. Прежде всего, при углах, превышающих 40° и меньших 4°, редко, но наблюдается переход разрушения с плоскости спайности (100) на плоскость скольжения (ПО). Го­ раздо чаще при б > 20° образуется бороздчатая поверхность, при­ чем каждая борозда создана двумя ортогональными поверхностями излома (100) на поверхности раскола (ПО).

В связи со сказанным Ланг рассматривает два вида поглощен­ ной энергии. Первый обусловлен возрастанием эффективной по­

= 45° — У 2. Реальное увеличение площади находили путем вы­ числения плотности ступеней. Энергию, израсходованную на пла­ стическую деформацию, вычисляли в предположении о том, что дислокации образуют петли с радиусом, равным половине высоты ступеньки.

Оказалось, что если с увеличением разориентировки примерно в три раза поверхность возрастает ориентировочно пропорцио­ нально, то затраты на пластическую деформацию увеличиваются на полтора порядка.

Один из механизмов необратимой потери энергии трещиной, взаимодействующей с границей, может быть связан, по мнению В. Л. Инденбома [88], с разрывом собственно границы. Этот про­ цесс рассматривался в известных работах Фриделя и Стро по за­ рождению трещин при взаимодействии полосы скольжения и дис­ локационной стенки. Ясно, что его можно распространить на слу­ чай трещин лишь при условии сдвигового их характера. В. Л. Инденбом считает, что под действием сдвига, а в нашем случае тре­ щины субили межзеренная граница теряет упругую устойчи­ вость, будучи отклоненной от равновесного положения благодаря сдвиговой деформации кристалла. В изотропном случае это отве­ чает отклонению дислокационной стенки на угол л/8. После этого следует разрыв стенки и расхождение ее краев на некоторое рас­ стояние. Замыкание разорванной стенки коротким горизонталь­ ным рядом краевых дислокаций с такой же плотностью, как и в стенке, создает ступенчатую границу блоков, не вызывающую макроскопических напряжений. При этом напряжения, обуслов­ ливаемые разорванной стенкой, эквивалентны напряжениям от короткого горизонтального ряда дислокаций, соединяющего разор­ ванные концы стенки.

71

Средние напряжения записываются при этом следующим об­ разом:

(11.54)

Когда длина трещины намного превышает длину ступеньки на дислокационной стенке (L > /), величина

где оп — внешнее напряжение, нормальное к плоскости скольже­ ния (разрушения).

В предположении о том, что величина I пропорциональна сдви­ говой деформации е5 кристалла, из последнего критерия выте­ кает следующее условие ориентационной зависимости прочности

Вопрос о том, в какой степени изложенные соображения ко­ личественно приложимы к конфликту трещины с границей, спо­ рен, хотя и не вызывает никакого сомнения его принципиальная возможность.

8 . РА С П РО С ТРА Н ЕН И Е ТРЕЩ ИН В Т РИ К РИ С Т А Л Л А Х

КАМ ЕН Н О Й СОЛИ

В поликристаллах с сильно развитой межзеренной структурой возможна встреча трещины со стыком межзеренных сочленений — ситуация, которая в литературе не обсуждалась.

В. М. Финкель, А. М. Подкауро1, В. П. Иванов и Ю. И. Тялин [89, 424, 448] рассмотрели взаимодействие квазистатических трещин с трехкристальным и сочленениями и источники упругих и необратимых затрат энергии при разрушении би- и трикристаллов NaCl.

М икроструктурные особенности разрушения трикристаллов. Эксперименты

проводили на кристаллах хлористого натрия. В случае малоугловых границ образцы выкалывали из тех участков промышленных образцов монокристаллов, в которых была сильно развита блочная структура. Би- и трикристаллы с широгоугловыми границами выращивали из расплава по методу Киропулоса.

Препарированный кристалл помещали в установку, включающую устрой­ ство для проталкивания трещины и поляризационный микроскоп.

Главным образом рассматривали трещины, распространяющиеся по пло­ скостям спайности в трикристалле, движущиеся непосредственно в узел (с точ­ ностью до 5 мкм) или мимо него. Д ля определенности атаку трещиной стыка гра­

72

Рис. 18. Схемы пзанмодсиствия трещин с тронным узлом малоуглопых границ

плоскостях скольжения. Для этого разрушение инициировали путем надавлива­ ния ножа на грань (100) кристалла. Процесс развития полосы скольжения в месте нагружения завершался зарождением трещины в плоскости (ПО).

Непосредственно из эксперимента определяли оптическую разность хода, связанную с о ! — а 2 известным соотношением. Главные напряжения разделяли методом косого просвечивания.

/.Трикристалл из малоугловых границ зерен

1.Трещина проходит сквозь узел, ие изменяя своей траекто­ рии. Этот случай в основном характерен для малоугловых сочле­ нений: 8— 15" (рис. 18, а).

2.Трещина, взаимодействуя со стыком, ветвится и при этом как бы «рассыпается» на более мелкие, которые движутся по ирра­ циональным плоскостям. Ветвление как перед стыком, так и после него присуще интервалу углов 20"—Г (рис. 18, б, в).

3. Трещина взаимодействует со стыком задолго до подхода к нему, причем разветвляется на две, которые, пройдя стык, объ­ единяются вновь, причем путь до слияния их разный. Одна из трещин сохраняет первоначальное направление вплоть до объедине­ ния. Вторая отклоняется от первого «общего» движения и взаимо­ действует с двумя границами, причем каждый раз разворачивается на определенный угол и дополнительно разветвляется. Результа­ том этого взаимодействия является отклонение траектории дви­ жения трещины на 90° от первоначальной и последующая ее остановка. Наблюдается в интервале углов 1—2° (рис. 18, г).

4. Этот случай отличается от предыдущих взаимодействием квазистатической трещины с несколькими тройными стыками. Продвижение трещины носит сложно-разветвленный характер. Аналогично случаю 3, результатом этого взаимодействия является отклонение движения трещины от первоначального направления на 90° и остановка ее или откол части кристалла (рис. 18, д). Разориеитации дислокационных стенок, препятствующих про­ движению трещины и образующих узел, различны и составляют 20"—4°.

II. Тройной стык широкоугловых границ

Врезультате прорыва трещин через узел большеугловых гра­ ниц наблюдаются следующие структурные явления в дополнение

кописанным выше для малоугловых сочленений:

1.Разрушение трикрнсталлов с разориентировкой (10; 10 и 15°) сопровождается образованием грубого рельефа на поверх-

73

Рис.* 19. Схемы взаимодействия трещины с тройным узлом высокоугловых границ

ности раскола. Трещина отклоняется от первоначального направ­ ления [100] и в дальнейшем распространяется вдоль одной из границ, образующей стык (рис. 19, а).

2. Трещина не проходит сквозь узел в смежное зерно, а раз­ ворачивается от первоначальной траектории на 90° и, встречая на своем пути одну из границ, образующих тройной стык (причем разориентировка последней, как правило, наименьшая), прони­ зывает ее, разветвляясь при этом (рис. 19, б). Вместе с тем наблю­ дается частичный прорыв в одно из смежных зерен. Дальнейшее увеличение нагрузки на нож приводит к закрытию магистральной трещины, прошедшей через узел, и отклонению ее траектории (интервал углов от 15 до 30°). Последний факт можно объяснить, по-видимому, перераспределением напряжений в зоне контакта;

3. При значительных углах разориентировки (до 20—40°) про­ исходит откол кристалла по (100) вблизи сочленений (рис. 19, в). Наряду с этим трещина, взаимодействуя с тройным стыком, вызы­ вает вскрытие двух границ, плоскости которых составляют острые углы с траекторией движущейся трещины. Вскрытие границ про­ исходило как при остановке трещины на некотором расстоянии от узла, так и в случае, когда трещина «упиралась» в стык (рис. 19, г). Последнее обстоятельство может служить иллюстра­ цией механизма торможения, предложенного Гордоном и Куком, [34] и наблюдавшегося ими при распространении трещин через границу склейки двух сред. Поскольку такое явление наблюда­ лось и в случае бикристаллов NaCl с разориентировкой, близкой к предельно возможной (< 45°), естественно предположить, что прочность сцепления границ таких разориентировок для щелочно­ галоидных кристаллов невелика.

Упругое взаимодействие трещин с межзеренными границами.

В числе факторов, обусловливающих барьерное действие межзеренных границ, существенное значение имеет эволюция полей напря­ жений в вершине трещины при взаимодействии ее с сочленениями.

Исследования методом фотоупругости свидетельствуют о рез­ ком возрастании разности главных напряжений в вершине тре­ щины в момент прорыва (табл. 1) начиная с самых малых углов разворота. Упрочнение трикристалла непрерывно^увеличивается и для большеугловых границ. Так, для малоуглового стыка (8"—2°) разность ох — сг2 = 18-т-20 кгс/см2, а для углов 20—40° эта величина уже составляет 65—70 кгс/см2.

74

Таблица i

Ра з н о с т ь Гл а в н ы х н а п ря ж ен и й в м ом ент Про ры ва

ТРИКРИСТАЛЬНОГО СТЫКА

П р и м е ч а н и е , / — толщина образца; Ь — расстозшнс от края трещины узла после прорыва: 0 lt 0 2, 0 3 — углы разориентнровки границ, образующих тройной стыь; <Ji — сг2 — разность главных напряжений, соответствующих прорыву узла разрушающей квазистатической трещиной.

75

ны сжимающих напряжений (рис. 20). При расположении трещин на постоянном расстоянии от стыка и варьировании разориентировки границ были получены следующие результаты. При углах 4—8° наибольшие сжимающие напряжения достигают значений 12 кгс/см2. Увеличение углов до 20—40° приводит к возрастанию сжимающих напряжений до 120 кгс/см2.

Следующим фактором является упругое взаимодействие полей напряжений кончика трещины и границ, образующих узел.

В принципе возможны четыре варианта расположения дисло­ каций в стенках, образующих тройной стык малоугловых границ (рис. 21). Для всех четырех моделей были рассчитаны поля на­ пряжений, определена их протяженность, а также найдены силы взаимодействия дислокационной трещины. Предполагалось, что углы между стенками, образующими трикристалл, для всех рас­ смотренных моделей равны между собой и составляют 120°. Рас­ стояние между дислокациями в границах узла принимали равным 1 X 10"4 см.

76

ных с необратимыми процессами, происходящими в образце в районе взаимодействия трещин с межзеренными сочленениями (рис. 25):

1. В экспериментах с разделением напряжений в пригранич­ ной зоне обнаружен некоторый пик, соответствующий растягиваю­ щим напряжениям в смежном (по отношению к первоначальной трещине) зерне. Естественно предположить, что в месте экстре­ мальных значений возможно зарождение новой трещины. Послед­ нее наблюдалось (рис. 25, а) в исследованиях по взаимодействию трещин как с би-, так и с трикристаллами (рис. 26, а). В дальней­ шем сегменты путем пластического разрыва соединяются (рис. 26,6) с начальной трещиной, о чем свидетельствует повышенная плот­ ность дислокаций (108 см"2) в этой области. Такой механизм рас­ пространения разрушения через границы наблюдали ранее в ра­ боте [85]. Джелл и Смит пришли к выводу о том, что для зарожде­ ния свежей трещины в соседнем зерне необходимо избыточное вну­ треннее давление на берега старой трещины. Изменение р 0в функ­ ции углов Ф и ф для бикристаллов NaCl показано на рис. 27. Ранее авторы настоящей работы получили зависимость напря­ жений прорыва трещины через межзеренные границы от угла раз­ ворота. Для сравнения указанная зависимость приведена на этом же графике. Несмотря на то что величины — а 2 и р0 несопоста­ вимы в количественном отношении, можно прийти к некоторым

79