книги / Физические основы торможения разрушения

Нробоя 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

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

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

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

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

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

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):

185

'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

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

2,5x5x25 мм) накладывали импульсное электрическое поле. При

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

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