книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

В связи с этим В. М. Финкель и Л. Б. Зуев * [480] предпри­ няли попытку изучить механизм объединения микротрещин в ме­ таллах.

Методика микрокиносъемки и разрушения

Образцы изготовляли из углеродистой стали марки Ст. 3 и трансформаторного железа. Предполагаемая методика кино­ съемки требовала зеркальной поверхности образца. Пластинки

после' полировки. В зоне изгиба возникали трещины различных размеров, ориентированные вдоль короткой стороны образца. Размер зерна в углеродистой стали составлял около 2 *10-2 мм, а образующиеся трещины имели среднюю длину 0,5-М мм. Большинство таких трещин проникало сквозь всю толщину об­ разца. На это указывают рентгенограммы, снятые на просвет. В кремнистом железе трещины обычно не превышали размера зерна.

Для разрыва пластин из углеродистой стали и кремнистого железа использовали два устройства. Углеродистую сталь раз­ рушали падающим грузом на специально построенном растяги­ вающем копре. Для разрушения кремнистого железа использо­ вали иную схему. Разрушающий импульс создавался с помощью электрогидравлического удара. К нижнему концу образца при­ крепляли вертикальную тягу с площадкой на конце. Между рас­ положенными на площадке электродами натягивали медную проволоку диаметром 0,12 мм и длиной 1,5 см. Проволока раз­ рушалась разрядом конденсатора емкостью 10 мкф при напря­ жении 7000 в. Запасаемая в электрическом контуре энергия до­ стигала 250 дж. Дл-я управления электрическим разрядом кон­ тура служил пульт кинокамеры СФР (см. ниже). Нижний конец тяги вместе с площадкой погружали в сосуд с водой емкостью 10 л. Возникающая при взрыве ударная волна в жидкости рас­ пространялась по направлениям радиуса цилиндра, осью кото­ рого служила взорванная проволока. При встрече волны с пло­ щадкой возникал импульс растяжения, достаточный для пол­ ного разрыва образцов, ослабленных искусственными микротре­ щинами. Использованный для управления электрической схемой трехэлектродный воздушный разрядник обеспечивал синхрони­ зацию с кинокамерой достаточно точно, с разбросом меньше

10 • 10"6 сек.

З у е в Л. Б. Экспериментальное исследование заключительной стадии разрушения твердого тела. Автореферат кандидатской диссертации. Ново­ кузнецк, СМИ, 1967

202

Применяемая для регистрации процесса объединения микро­ трещин аппаратура должна сочетать в себе качества металло­ графического микроскопа и скоростной кинокамеры. С этой целью были созданы микроуста.новки двух конструкций на базе кинокамеры СФР-2М.

Для изучения разрыва пластин углеродистой стали с систе­ мой микротрещин был применен первый вариант микрокиноус­ тановки с частотой кадров 240 тысяч в секунду и масштабом изображения на кинопленке 1,9 1. Такое увеличение масштаба изображения по сравнению с предусматриваемым в заводском варианте 1 20 достигнуто с помощью насадочной линзы, поме­ щенной перед основным объективом кинокамеры (рис. 84). Оп­

/

Рис. 84. Оптическая схема кинокамеры СФР-1 с насадочной линзой:

тическая сила линзы составляла +20Д. В качестве линзы ис­ пользовали объектив «Гелиос» РОЗ-ЗМ с фокусным расстоянием 5 см. Расстояние между фронтальной линзой этого объектива и плоскостью образца составляло около 1 см. Это позволило при­ менять для освещения образца во время съемки обычные бата­ реи ламп ИФК-120. Две такие батареи помещали выше и ниже объектива и освещали образец под углом около 45° Для опре­ деления разрешающей способности системы производили кино­ съемку неподвижных трещин и полученные снимки сопоставляли с микрофотографиями. Оказалось, что удовлетворительно видны трещины длиной не менее 0,2 мм.

Временное разрешение фоторегистрирующей системы опре­ деляется величиной предельной скорости роста трещины, кото­ рая может быть найдена достаточно надежно. Полагая, что для точного установления скорости разрыва перемычки длиной по­ рядка длины трещины, т. е. около 1 мм, необходимо получить

203

3—4 кинокадра разрушения при частоте 240 000 кадров в се­ кунду; предельная скорость определяется равной 50 м/сек.

Синхронизация разрушения со вспышкой импульсных ламп достигалась замыканием контакта в момент падения груза. На рис. 85 приведена электрическая схема поджига осветительных ламп. В момент замыкания контакта через первичную обмотку индукционной катушки разряжался электролитический конден­ сатор. Возникающий на вторичной обмотке высоковольтный им­ пульс направлялся на управляющие электроды импульсных ос­ ветительных ламп. Регулируя зазор между ударной площадкой и контактом поджигающей схемы можно было синхронизировать освещение с необходимой фазой процесса разрушения.

Кроме синхронизации разрушения с осветительной схемой, существенно согласование того и другого с рабочим положением

рушения с положением камеры никаких специальных мер не принимали, ипроцесс регистрировался только в том случае, когда совпадал с рабочим положением зеркала. При этом могли быть зафиксированы разрывы только 7в всех образцов, что не особенно осложняло работу, если учесть простоту их подготовки.

Исследование разрушения образцов из кремнистого железа потребовало применения кинорегистрирующей системы с боль­

объектив СФР был заменен оптической системой осветителя от­ раженного света, применяемой в биологических микроскопах ОИ-21. Схема такой микрокиноустановки приведена на рис. 86. Осветитель ОИ-21, установленный на штативе биологического микроскопа МБР-1, специально изготовленным кронштейном соединялся с корпусом камеры СФР в месте крепления входного объектива. Общее увеличение системы примерно совпадало,

204

с увеличением, создаваемым оптикой ОИ-21. Обычно при кино­ съемке разрушения кремнистого железа использовали объектив ОИ-9 без окуляра, что позволяло фотографировать с 10-кратным увеличением.

На полученных таким образом кинокадрах отчетливо видны довольно тонкие детали рельефа поверхности образцов. Хорошо различаются границы зерен, линии скольжения, двойники и т. п. Сравнение кинокадров с микрофотографиями тех же участков поверхности показывает, что надежно разрешаются подробно­ сти размером более 0,01 мм.

К сожалению, при использовании двух готовых оптических систем кинокамеры и осветителя не удалось добиться правиль-

1 — СФР-1; 2 — микроскоп; 3 — осветитель; 4 — образец

ного чередования кадров вдоль всей линзовой вставки СФР. По­ этому пришлось ограничиться киносъемкой только на один ряд линз, что при той же скорости вращения зеркала (30 000 об/мин) снизило частоту кадросмен до 120 000 сект'. Увеличить же ско­ рость вращения было невозможно в связи с большой длитель­ ностью свечения импульсных фотоламп ИФК-120 (1/500 сек). При этом способе освещения достигнутая скорость фоторегистра­ ции является предельной.

Для освещения процесса разрушения использовали батарею из 20 ламп ИФК-120. Ее световой поток направлялся в освети­ тельный канал ОЙ-21 со снятым конденсором. Инициирующий импульс от СФР-1 параллельно поступал на поджигающий электрод схемы электрогидравлического удара и управляющий электрод ламп ИФК-120. Это позволяло запускать всю уста­ новку с пульта СФР и значительно повысить число образцов, на которых регистрировался процесс разрушения. Точность синхро­ низации была такова, что после подбора нужного момента ини­ циирования относительно зеркала практически на всех снятых образцах регистрировался разрыв.

205

Разрушение образцов из стали Ст. 3

Результаты киносъемки разрыва образцов из углеродистой стали приведены на рис. 87. В дальнейшем обсуждаются наибо­ лее характерные особенности процесса, которые могут быть установлены при использовании описанной методики.

Возникновение микроразрывов в зоне пластической деформа­ ции, предшествующей разрушению, неоднократно отмечалось и в этой серии опытов. Образование такого рода микротрещин на­ блюдается в период, предшествующий объединению двух исход­ ных (рис. 87). В светлой кайме — зоне пластичности — отчетливо видно возникновение микротрещин длиной около 0,3-^0,5 мм. Собственно процесс разрыва первоначальной перемычки сво­ дится к возникновению еще более мелких, чем исходные, микро­ трещин и их дальнейшему объединению.

Тщательное изучение целого ряда кинограмм позволяет сде­ лать вывод о том, что возникновение микротрещин в зоне пла­ стической деформации является общим явлением. При этом каждый акт разрушения разбивается на стадии возникновения микротрещин и их объединения.

Использованная методика киносъемки дала возможность установить взаимосвязь трещин с пластической деформацией материала. В таком сравнительно вязком материале, как угле­ родистая Ст. 3, пластическая зона при разрушении может дости­ гать 1-г-1,5 мм. В отличие от ряда теоретических работ, авторы которых полагают длину пластической зоны пропорциональной длине разрушающей трещины в данный момент, полученные нами результаты указывают на полную независимость этих двух величин. Размеры пластически деформированной зоны непре­ рывно меняются в процессе развития разрушения.

Помимо зоны деформации перед трещиной, на кинокадрах видна кайма деформированного материала по обоим краям раз­ рыва. Размеры и положение такой каймы в теченье всего про­ цесса разрушения остаются практически неизменными. Ее пере­ мещения в пространстве связаны лишь со смещениями краев трещины. Такая зона может быть неоднородна по ширине, со­ ставляющей на разных фотографиях от 0,2 (пределы разреше­ ния) до 0,8 мм (см. рис. 87). Иногда такая пластическая кайма на ряде участков трещины совсем не обнаруживается. Видимо, здесь она невелика и лежит за пределами чувствительности ис­ пользованной аппаратуры. В подтверждение точки зрения, при­ веденной в работе [283], эти результаты указывают на очень малую роль, которую играет деформация вскрывшихся полостей трещины в процессе разрушения. В то же время поведение зоны пластичности перед трещиной кажется определяющим фактором в ходе разрушения.

Скоростная киносъемка позволяет определить скорость ро­

206

ста трещин и скорость пластического деформирования перемы­ чек между ними. Микроскопическое исследование показало, что процесс разрушения проходит крайне неоднородно. В этом слу­ чае нет смысла говорить о средней скорости развития разруше­ ния, так как важную роль играют микронеоднородности струк­ туры материала, которые не могут усредняться в малых объе­ мах, сравнимых с величиной разрывов. Было установлено, что новая микротрещина в зоне пластичности возникает меньше, чем за одну кадросмену, т. е. 4 X Ю~6 сек. Поскольку наблюдаемые при этом трещины в среднем имеют размеры ~ 0,3 мм, скорость их образования превышает, по крайней мере, 800 м/сек. Приме­ ненная схема фоторегистрации не позволяет разрешить такой процесс во времени. Как указано выше, предел точно определяе­ мой скорости 50 м/сек. В то же время общая скорость подра­ стания всей макроскопической зоны разрушения обычно не пре­ вышает этой величины и это неудивительно для такого вязкого материала. Следовательно, наряду со скачкообразным подраста­ нием микротрещин возможны и длительные остановки их роста, обеспечивающие малую среднюю скорость развития разруше­ ния. Действительно, почти на всех полученных кинограммах на­ блюдаются остановки роста микротрещин, продолжающиеся 10-1-20*10-6 сек., т. е. 2-1-6 кадросмены при частоте кинорегистра­ ции 240 000 сек~{.

Скорость деформирования перемычек между трещинами — важная характеристика процесса разрушения. Как оказалось, она лежит в пределах разрешения киноаппаратуры, т. е. не пре­ вышает 50 м/сек. Для измерения скорости деформации на ка­ ждом кадре определяли расстояние между какими-либо дефек­ тами поверхности образца, находящимися вне пластичной зоны. При разрушении отмечена линейная скорость удлинения пере­ мычки 10 м/сек, что при первоначальной ее длине 1,5 мм приво­ дит к относительной скорости 6 - 103 сектК Данные той же кинограммы указывают, что относительная деформация перемычки достигает почти 30%. В процессе разрыва перемычек линейная скорость удлинения составляет 4,5 м/сек, относительная 4Х ХЮ3 сект1, а относительная деформация составляет 20%. Такая величина относительной пластической деформации материала, близкая к предельно возможной для данной стали, указывает на очень пластичное, практически неупрочняемое состояние ве­ щества в областях между исходными микротрещинами. Данные для ряда образцов указывают, что скорость вытягивания пере­ мычки в пределах ошибки эксперимента остается постоянной в течение всего времени разрушения. Так как перемычка нахо­ дится в области действия очень резких концентраторов напря­ жений (концов трещин), то следовало бы ожидать существен­ ного наклепа при сближении разрывов и возрастания сопротив­ ления разрушению, которое могло бы выразиться в замедлении

207

скорости деформации. Кроме того, известно, что при концен­ трации напряжений уменьшается относительное удлинение при механических испытаниях. Отсутствие этих эффектов при раз­ рыве перемычек между трещинами указывает на особую при­ роду этого процесса, которая обсуждается ниже.

Киносъемка разрушения образцов из углеродистой стали по­ зволила установить основные закономерности последней стадии разрыва — объединение концов микротрещин. Этот процесс, по­ мимо высокой деформации материала, о которой уже сказано, характеризуется еще отклонением траектории трещин от перво­ начального направления, определяемого действием максималь­ ных нормальных напряжений. Из рис. 87 видно, что при умень­ шении расстояния между концами трещин до 1,5 мм зоны пла­ стичности, а затем и определяемые ими трещины искривляются и переходят в плоскость действия максимальных касательных напряжений, что, как известно, равносильно переходу от хруп­ кого разрушения к вязкому. Можно быть твердо уверенным, что последние стадии разрушения — разрыв микротрещинных пере­ мычек— происходят под действием касательных напряжений. Объединение идет со значительно меньшей скоростью, чем соб­ ственно рост трещин.

Необходимо сделать еще одно замечание относительно несоосности исходных трещин. Если бы и последние акты разруше­ ния происходили под действием максимальных нормальных на­ пряжений, не представляло бы труда предсказать траекторию трещин на всем пути их развития. Это была бы прямая, соеди­ няющая их концы в момент приложения нагрузки. Однако кино­ съемка ясно-указывает, что первоначально трещины распростра­ няются совершенно независимо друг от друга. И лишь при уменьшении расстояния между их концами до 1,5-^ 2 мм начи­ нает проявляться их взаимодействие. Оно приводит к существен­ ному изменению траектории (выходу на линию действия макси­ мальных касательных напряжений) и уменьшению скорости

Таблица 8

Скорость роста двух объединяющихся микротрещин в зависимости от расстояния между ними

208

развития. Такое взаимное замедление трещин иллюстрируется табл. 8, в которой приведены данные об изменении скорости роста трещин в зависимости от расстояния между их концами. Отмеченное существенное уменьшение скорости характерно и для других случаев разрушения.

Разрушение образцов из кремнистого железа

Для выяснения влияния микроструктурных факторов на раз­ витие хрупкого разрушения была поставлена серия эксперимен­ тов по разрыву образцов из кремнистого железа. Способ разру­ шения таких образцов и методика кинематографирования опи­ саны выше. Во всех случаях увеличение оптической системы микроустановки было 10-кратным; при позитивном процессе фо­ тографии дополнительно увеличивали в 4 раза. Средний размер зерна в примененном кремнистом железе — около 0,3 мм; исход­ ные трещины, как правило, оканчивались на границах зерен. Частота киносъемки во всех случаях 120 000 сект1.

Поведение системы микротрещин существенно зависит от ориентации плоскостей спайности [типа (100)] относительно при­ ложенного растягивающего напряжения. При этом характер движения зоны разрушения меняется. Возможности киноаппа­ ратуры, примененной нами, позволяли установить только ниж­ ний предел скорости распространения трещин при расколе по плоскости спайности. Так, при съемке, кадры которой даны на рис. 88, эта скорость составляет не менее 50 м/сек.

При тех же условиях нагружения развитие разрушения не по плоскости (100) идет гораздо медленнее — со средней скоростью около 10 м/сек. Рост трещин происходит очень неравномерно. Особенно это относится к моментам пересечения границ зерен кремнистого железа, где нередко отмечались остановки продол­ жительностью до 50-ь60*10~6 сек. Таким образом, процесс раз­ рушения в микромасштабе не может характеризоваться сред­ ними величинами скоростей роста, пластических деформаций, размеров зон пластичности, как это обычно делают при макро­ скопическом подходе к проблеме. В микромасштабе необходимо рассматривать поведение каждой отдельной трещины, ее вза­ имодействие с границей зерна, с другими очагами разрушения и т. п.

Представляет интерес вопрос о транскристаллитном и интеркристаллитном разрушениях стали. Известно, что за исключе­ нием некоторых специальных случаев (отпускная хрупкость, интеркристаллитиая коррозия) для разрушающей трещины более предпочтительным является путь по телу зерна. В то же время при анализе разрушения, развивающегося в нескольких очагах, невозможно полностью исключить граничнозеренные участки

209

в изломе. Киносъемка разрыва образцов из кремнистого же­ леза позволила получить некоторые сведения о характере раз­ рушения обоих типов.

Прежде всего, по границе зерна трещина проходит только в исключительных случаях. Она растет через тело зерна даже тогда, когда участок границы ориентирован более выгодно по отношению к действующим напряжениям. Более того, даже если исходные микротрещины расположены на границе зерен, раз­ рыв часто завершается по телу зерна.

Основное препятствие для развивающихся по спайности тре­ щин в структуре кремнистого железа — границы ферритных зе­ рен, где неоднократно наблюдались длительные задержки в росте трещин.

Можно, следовательно, сказать, что граница зерна является менее выгодным путем для развития разрушения и при интеркристаллитном росте трещины, и просто при пересечении гра­ ницы.

Как следует из кинограмм, в большинстве случаев разруше­ ние внутри зерна проходит по плоскостям спайности [(100) для железа]. Однако в отдельных случаях разориентировка соседних кристаллитов была такова, что плоскость спайности не могла обеспечить смыкания исходных трещин. Этому же способство­ вал характер расположения исходных разрывов. В подобных случаях наблюдалось типично вязкое разрушение, при котором в деформацию вовлекались значительные объемы материала. При этом в деформированной зоне одновременно отмечалось несколько фронтов разрушения, из которых продолжал расти наиболее выгодно ориентированный. По-видимому вязкий разрыв особенно характерен для последних стадий объединен ния микротрещин в непосредственной близости от границ зерна.

Таким образом, последние стадии разрушения кремнистого железа, как и в случае углеродистой стали, происходят под дей­ ствием касательных напряжений и завершаются вязко.

Суммируя приведенные материалы, можно утверждать, что развитие разрушения в микромасштабе происходит крайне не­ равномерно. Скачки в приращении длины чередуются с дли­ тельными остановками. Некоторые микротрещины вообще не увеличиваются при нагружении. Растущие навстречу друг другу микротрещины взаимодействуют между собой, вследствие чего искривляется их траектория и уменьшается скорость роста. Пе­ ред существующей трещиной зарождаются при разрушении изолированные микротрещины.

Последние стадии объединения трещин сопровождаются зна­ чительным развитием пластической деформации в окружающем материале.

210

4.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ

ИВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРЕЩИН

Исследование процесса объединения микротрещин при раз­ рушении металлов позволило выяснить основные закономерно­ сти этой стадии разрушения. Для нее характерно:

1 ) зарождение микротрещин перед основной при се росте или возбуждение существующих микроразрывов;

2) отклонение траектории роста трещин от линии действия максимальных нормальных напряжений;

3) большая пластическая деформация материала перемычек перед разрывом и высокая скорость этого процесса.

В дальнейшем приводится попытка * объяснить эти законо­ мерности на основе существующих представлений о разруше­ нии и деформации.

Возбуждение микротрещин

В качестве основы используются полученные в работе [463, стр. 59] уравнения равновесия системы из трех трещин, концы которых заданы координатами а, Ъ и с (рис. 89).

Согласно [463, стр. 59], критические напряжения (средние по образцу) для роста соответствующего конца трещины опреде­ ляются:

Координаты концов трещин входят в выражения как явным об­ разом, так и неявным, через полные эллиптические интегралы F(K) и Е(К), определяемые модулем сцепления К, причем

См. сноску на стр. 202.

211