17. Механизмы торможения развития трещины

Считается, что прочность определяется тремя факторами: «материалом», «телом», «условиями нагружения». Разделение роли нормальных и касательных напряжений, как ответственных за хрупкое и пластическое разрушение, в общем примитивно. Правильнее процесс разрушения разделить на две стадии: 1) Подготовительную (повреждаемость) за счет касательных напряжений; 2) Потерю устойчивости (лавинное разрушение) в основном за счет нормальных напряжений.

Процесс развития трещины требует изменения нагрузки (ее повышения или понижения), что указывает на структурные изменения в материале под нагрузкой. Знание этих структурных изменений может облегчить решение задачи повышения прочности. Таким образом, если не удается предотвратить зарождение трещины, то можно принять меры по торможению ее развития или управлению ее движением. Сложность решения этой задачи заключается в скоротечности процесса распространения трещины (микросекунды).

Торможение трещины идет следующими способами:

- релаксацией упругого потенциала нагруженной системы. Например, моментальной разгрузкой всей системы, пластическим деформированием в вершине трещины, «пластифицированием» при нагреве;

- созданием протяженных упругих волн сжатия для остановки самых быстро распространяющихся трещин (наклеп поверхности);

- затуплением вершины трещины. Например, засверливанием отверстий (при статических нагрузках);

- созданием барьеров на пути трещины. Например, композиты, сварные швы – как макробарьеры, границы зерен и блоков, неметаллические включения, скопления дислокаций, двойники – как микробарьеры;

- системой других трещин;

- электрическими и магнитными полями;

- ветвлением. Быстрая трещина не стабильна и чувствительна к любому воздействию, а после каждого ветвления ее скорость падает с ~ 2000 м/с до нуля. Чем меньше скорость распространения, тем большее усилие требуется для возобновления движения трещины. Энергетические затраты на пластическую деформацию в вершине трещины обратны квадрату скорости ее движения.

Управление траекторией движения трещины осуществляют:

- стабилизированием направления движения трещины упругими полями;

- изменением симметрии поля напряжений вокруг трещины упругими или термоупругими напряжениями (локальный нагрев, сварные швы, ветвление), что делает трещину более нестабильной;

- изменение траектории трещины вплоть до ее разворота в обратном направлении.

И торможение, и управление трещиной – процессы часто взаимосвязанные.

Как было сказано выше, торможение трещины можно осуществить электрическим полем. Например, исследование кинетики разрушения кристаллов LiF в электрическом поле показали зависимость пути, пройденного трещиной – l в зависимости от времени – τ от направления электрического поля и его наличия или отсутствия. Напряженность поля составляла 13-15 кВ/см (рисунок).

Кривые 1-4 относятся к образцам, разрушенным без поля. Изменяя усилие нагрузки, меняли скорость разрушения от 150 до 800 м/с. Скорость разрушения – V примерно одинакова на всем пути трещины. До начала разрушения усилие на зажимах образца возрастало монотонно вплоть до момента старта трещины, и в процессе ее движения медленно падало до нуля.

При направлении поля против хода трещины разрушение происходило со скоростями в 1,5-4 раза меньшими. Усилия на зажимах при старте трещины убывали, а затем нарастали до 0,6-0,8 от критических (кривая 5-8).

Скорость распространения трещины в кристалле LiF

Наложение поля по ходу трещины не давало эффекта.

Наложение поля в направлении перпендикулярном плоскости скола (кривая 9,10) резко снижало скорость разрушения в 5-10 раз, что проявлялось в скачке нагрузки на зажиме (при остановках трещины) до критического значения (напряжение старта трещины).

Изменение скорости движения трещины возможно по следующим причинам:

- из-за изменения структуры металла в электрическом поле (перемещение дислокаций, тост числа вакансий и скорости диффузии), но это маловероятно, так как на эти процессы требуется время, а поле включалось в момент начала нагружения;

- из-за взаимодействия поля с вершиной трещины. Это также маловероятно, так как необходимо большое число дислокаций 10²-10⁷ в вершине трещины, которое может создать заряд 10²-10³ CGSE, необходимый для эффективного взаимодействия с внешним полем. В кристаллах LiF заряд на единицу длины дислокации ~ 10^-4 CGSE;

- из-за электростатического взаимодействия заряженных берегов трещины с внешним полем. Это наиболее вероятный процесс, так как количество дислокаций 10⁷ степени в плоскости скола в трещине вполне возможно.

При наложении магнитного поля возможны следующие процессы:

- изменение энергетического спектра бездефектного вещества;

- влияние тока (потока электронов) на подвижность дислокаций;

- тепловое воздействие индуцированного тока.

Импульсы тока могут подталкивать дислокации, облегчая скольжение, могут разряжать опасные скопления дислокаций. Выделение Джоулевой теплоты так же пластифицирует металл. В промышленности используются методы пластического деформирования с помощью полей напряженностью в сотни килоэрстед.

При напряженности поля порядка 400 кЭ диффузия магнитного поля становится нелинейной и создаваемое магнитное давление достигает величины порядка 60000 Мпа, что превышает предел текучести большинства металлов.

При напряженности поля свыше 800 кЭ начинается плавление поверхности проводника. При напряженности 1,5 мЭ – поверхность начинает испаряться. При напряженности 5-10 мЭ – происходит разрыв связей по всему объему и дальний порядок, также, как и ближний разрушается.