книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

Оригинальный метод торможения трещины предложен Ку­ ком и Гордоном [600]. Трещина моделируется эллиптическим от­ верстием с отношением длины к вскрытию 100, т. е. при радиусе в 1 А длина трещины составляет 100 А. В случае автономной трещины такого рода при помощи вычислительной машины оп­ ределяют напряжения в окрестностях ее вершины. Оказывается, что компонента напряжений, нормальная к плоскости трещины, имеет в согласии с известными работами максимум непосред­ ственно на поверхности надреза и убывает по мере удаления от вершины трещины. Что касается компоненты напряжений, ориентированной вдоль линии трещины, то, во-первых, она в пять раз меньше и, во-вторых, достигает максимального зна­ чения не в самом устье трещины, а впереди него на расстоянии примерно в -один радиус кривизны. Это положение отличается от общепризнанного.

Далее рассматривается гетерогенный материал, содержащий плоскость с напряжениями, необходимыми для вскрытия, суще­ ственно меньшими, чем матрица. Допускается, что этот аналог плоскости спайности способен раскрыться при напряжениях, со­ ставляющих примерно Vs от приложенных нормально к вершине трещины. Очевидно, что если ослабленная плоскость располо­ жена нормально к трещине и впереди нее, где напряжения мак­ симальны, то разрушение может возникнуть еще до непосредст­ венного подхода магистральной трещины. Эта последняя лишь объединит систему трещин в одну трещину сложной конфигура­ ции (рис. 112, е,е'—eIV). По мнению Кука и Гордона, вновь возникшая трещина, имея затупленную вершину потребует для дальнейшего продвижения существенно больших усилий. В ре­ зультате трещина остановится и, следовательно, повысится прочность материала.

Совершенно очевидно, что описанный метод близок к идее Коттрелла о вязком слое и может использоваться для управле­ ния трещинами и их торможения.

Примером микроскопического подхода к проблеме торможе­ ния трещины может служить работа Фервуда и Форти [601]. В основу положена идея «конфликта» между трещиной и вклю­ чением. По отношению к неметаллическим включениям в стали такая постановка вопроса достаточно неоднозначна и малове­ роятно получение четкого ответа. В приложении к монокристал­ лам LiF она вполне корректна. Включения создавали методом электродиффузии. Они представляли собой малые пустоты и частицы золота.

Методы инициирования и регистрации трещины были заимст­ вованы из известной работы Гилмана с сотр.

Оказалось, что действительна включения тормозят трещину. Однако этот эффект наблюдается при небольших скоростях ее распространения — примерно 50 м/сек. Это можно понять, если

282

учесть, что главное в торможении — пластическая релаксация, а она максимальна при медленном перемещении трещины. Ав­ торы показали, что при взаимодействии трещины с включением образуются дислокации и ступени скола. Конечная цель иссле­ дования состояла в отыскании формы, размера и распределения включений, которые привели бы к максимальному искажению фронта трещины, а следовательно, к ее торможению. Связь между формой фронта и скоростью трещины усматривается ав­ торами [601] в следующем виде: при встрече с включением тре­ щина тормозится и приобретает возможность генерировать ди­ слокации и полосы скольжения впереди себя, при этом одновре­ менно возникает картина речного узора и образуются грубые ступени.

Из работы следует, что наибольший эффект торможения до­ стигается в случае кристалла с определенной плотностью и раз­ мерами включений: оптимальный размер частицы золота 1 мкм, а расстояние между частицами 10 мкм.

2. О ДИНАМИЧЕСКОМ МЕТОДЕ ТОРМОЖЕНИЯ ТРЕЩИН

Для того, чтобы любая система, предназначенная для тормо­ жения трещин, могла дать необходимый эффект, следует, пре­ жде всего, предусмотреть какое-либо устройство, сигнализирую­ щее о начале разрушения. Наиболее просто, по нашему мнению, для этой цели использовать акустический метод, располагая на потенциально опасных узлах конструкции пьезодатчики, сенси­ билизированные к частотам звука или ультразвука, излучаемого трещиной, растущей в данной конструкции. Такой метод был предложен нами в 1961 г.

В момент начала роста трещины звуковое или ультразвуко­ вое излучение через усилитель (и преобразователь в случае ультразвука) даст акустический звуковой сигнал посредством громкоговорителя или будет записано на любом приборе типа шлейфового осциллографа. Такое приспособление, позволяющее отметить появление трещины, можно применять на металлокон­ струкциях, работающих в условиях статических и динамических нагрузок, например, на мостах, подкрановых балках, крановых фермах и т. д.

Особенно широко предлагаемая схема может быть использо­ вана в случае сварных конструкций, в частности эксперименталь­ ных сварных мостов. В сложных конструкциях можно устанавли­ вать по несколько датчиков и по интенсивности их срабатывания локализовать участок для последующего визуального выявления трещины.

Звуковая радиация, бесспорно, опережает рост трещины, так как перемещается в металле (например, в стали) со скоростью ~5900 м/сек. Что касается трещины, то ее скорость в мало­

►283

углеродистом металле редко превышает 1000 м/сек и уста­

среднюю скорость ее движения 400—500 м/сек. Следовательно, звуковая волна опережает трещину в 6—12 раз. На рис. 113 приведена принципиальная схема защиты растягивающего стержня 1. Страховочный стержень 2 в обычном состоянии разомкнут. Если его замкнуть клином, то он, сжав стержень 1, тем самым его разгрузит.

Система работает следующим образом. Лишь только на стержне 1 начался рост трещины, как значительно опережающее ее звуковое излучение вызывает электрический импульс пьезо­ датчика. Усиленный импульс взрывает достаточно мощный безинерционный детонатор 3, загоняющий клин 4 в стержень 2.

Клин самозаклинивается и на некоторое время, необходимое для ремонта, разгружает стержень. Непосредственно в момент за­ клинивания трещина тормозится, так как снимается упругий растягивающий потенциал.

Предлагаемое устройство может быть использовано на ответ­ ственных конструкциях, работающих в тяжелых условиях. Инер­ ционность детонатора должна быть малой, порядка 10_6 сек. Его изготовление не представляет затруднений: можно усовершенст­ вовать существующие детонаторы типа ЭД.

3. ТОРМОЖЕНИЕ БЫСТРЫХ ТРЕЩИН ДВОЙНИКОВЫМИ ПРОСЛОЙКАМИ [653]

1. Образцы с монокристаллической рабочей частью разме­ ром 9X50 мм вырезали из крупнозернистых листов трансформа­ торной стали толщиной 0,5 мм вдоль направления прокатки.

284

После подготовки одной из поверхностей пластин как металло­ графического шлифа их подвергали вакуумному отжигу при 1000° С в течение 24 ч.

Локальное механическое двойникование материала осущест­ вляли посредством взрыва на его поверхности микрозаряда ВВ. Возникавшая зона двойников имела форму ромба шириной 3— 4 мм и содержала все 12 систем двойников о. д. к. решетки. Об­ щее число двойников было около 500 (рис. 114). Для повышения оптической активности двойников при последующей киносъемке образцы подвергали химическому травлению. Чтобы исключить

Рис. 115. Установка для электрогидравлнческого импульсив­ ного разрыва металлического образца, синхронизированного со скоростаой кинокамерой СФР-1:

формоизменение при взрыве и получить достаточно мощные двойники, пластины помещали на массивную металлическую полированную подложку.

Для разрушения использовали специально созданную уста­ новку (рис. 115), которую монтировали вместе с кинокамерой СФР-1М. Динамическое нагружение осуществлялось электрогидравлическим ударом при взрыве в воде тонкой ( ~ 0,3 мм) алюминиевой проволочки. Ударная волна, действуя на полу­ сферу 6 через шток 5, передает импульс напряжений образцу 3, укрепленному в захватах 2. Электрическая схема установки при­ ведена на рис. 116.

285

Исследуемую часть поверхности образца освещали лампой ИФК-120 (Л), работающей в нестандартном режиме (питание от четырех импульсных конденсаторов ИМ-150-5). Длительность вспышки при этом составляла 2 • 10-3 сек. Лампу устанавливали на расстоянии 3—5 мм от поверхности образца со стороны ки­ нокамеры таким образом, чтобы поле съемки находилось между ее электродами. Для предупреждения попадания в объектин прямого света от лампы, одну ее грань заклеивали черной бума­ гой. Такое расположение лампы позволило использовать боль­ шую часть ее света.

С целью совмещения во времени процессов распространения разрушающей трещины и вспышки импульсной лампы исполь­ зовали электрическую линию задер­

образца в виде тонкой линзы, растущей в обе стороны. Общая скорость развития таких двойников достигает 4000—5000 м/сек. В дальнейшем появляются отдельные прослойки и пачки двой­ ников со скоростями роста 2000—2500 м/сек. Наиболее энер­ гично двойникование протекает в области под надрезом, но во многих случаях, и вдали от него.

Следует отметить, однако, что несмотря на большие скорости развития основная масса предшествующих разрушению двойни­ ков задерживается ранее созданными механическими двойни­ ками.

После двойникования начинается рост магистральной тре­ щины. Когда трещина проходит двойниковые прослойки, на по­ верхности излома образуются многочисленные ступени скола

286

и области локализованной деформации (факелы). Первые двой­ ники, пересекаемые быстрой трещиной (свыше 1000 м/сек), преодолеваются без заметной реакции, возникают лишь невысо­ кие (2—3 мм) ступени скола. По мере увеличения числа пересе­ ченных двойников появляются все возрастающие в размерах ступени излома, совпадающие с границей двойника, а также «факелы деформации». Максимальные размеры ступеней и «фа­ келов» соответствуют участкам с наибольшей плотностью пред­ варительно созданных двойников.

При движении трещины сквозь двойникованную область на­ блюдаются неоднородные замедления и остановки. Продолжи­ тельность остановок колеблется от 2 до 5—6« 10_6 сек. Наиболее длительные остановки происходят перед зоной двойникования и после пересечения трещиной массива из 80—100 двойников типа 1, 5, 7, 8, И, 12. Максимальная зарегистрированная продолжи­ тельность остановки составляет 18-10-6 сек. В местах длитель­

только пластической деформацией, сопровождающей каждый акт прохождения трещиной двойника и поглощающей значитель­ ную часть упругой энергии, запасенной в вершине.

Рассматривая процесс преодоления трещиной двойниковых прослоек, ограничимся некоторыми условиями:

а) двойники расположены параллельно друг другу с одина­ ковой плотностью на пути движения трещины;

б) толщина двойника постоянна, расстояние между двойни­ ками равно нескольким двойниковым прослойкам;

стоянна;

287

решетки), разрушающая трещина при входе в двойник меняет направление своего движения на этот угол. Это ведет к измене­ нию действующих на вершину растягивающих нормальных на­ пряжений. Если до двойника напряжения составляют а0, то в двойнике после стандартного преобразования тензора напря­ жений для поворота относительно одной оси они становятся

равными

ника восстанавливается вследствие упругого восстановления напряжений. На нижнем графике в результате пластической деформации в двойнике скорость необратимо уменьшается на некоторую величину. Это уменьшение происходит до тех пор, пока вся упругая энергия вершины не исчерпывается пластиче­ ской деформацией в двойниках.

В то же время известно, что развитие пластической дефор­ мации в вершине обратно пропорционально квадрату скорости движения трещины1.

1 В целях проведения количественной оценки явлений при торможении эффективная поверхностная энергия при распространении трещины с рэлеевской скоростью с/рэл заменена эффективной поверхностной энергией у0 Очевидно, эта операция приведет к искусственному увеличению числа двой­ ников, необходимых для торможения.

288

Следовательно, изменение скорости разрушения, вызванное двойником, в свою очередь приведет к изменению величины пла­ стической деформации, а значит, к дополнительному поглоще­ нию упругой энергии трещины. Иными словами, энергия тре­ щины при выходе ее из двойника должна быть несколько меньше первоначальной. Это означает, что и скорость роста трещины перед вторым двойником уменьшается. Снижение скорости равно

v0— v lf

где vo и v\ — соответственно скорости распространения трещины перед первой двойниковой прослойки и после нее. Естественно, что уменьшение скорости трещины будет определяться интен­ сивностью развития пластической деформации.

Скорость движения трещины в первом двойнике найдем из выражений (XIII.1) и (Х1П£).

V M = V 0 COS*a.

Воспользуемся далее уравнением баланса энергии образца при подходе трещины к двойнику и за ним:

V ~ (£ п л + £ к и „ ) = 4 i V > ( Х Ш -3 )

где V — релаксирующий объем материала в процессе развития трещины;

Е — модуль Юнга.;

oi — напряжение, действующее, на вершину трещины перед вторым двойником;

Епл — энергия, поглощенная пластической деформацией; Е„ви — кинетическая энергия вскрытия поверхностей. Кинетическая энергия расхождения половин образца, даже

при весьма больших скоростях трещины, —- величина незначи­ тельная. Это позволяет считать, что упругая энергия в основном

S — поверхность трещины, пересекающей двойник. Для первого двойника находим:

А

VQ

289

Г Л А В А XIV

РОСТ ТРЕЩИН ПРИ ПОРАЖЕНИИ БЫСТРОЙ ПЛАЗМОЙ

Зажглось окно — н луч слепящий, Как молнию, метнуло в лес.

Поль Верлен.

Лишь молния стремит такой удар, Что ей нельзя не быть испепеленным.

Константин Бальмонт

1.ВВЕДЕНИЕ

Впроблеме термической прочности особое место занимает тепловой удар, для которого характерны большие напряжения, определяемые высоким температурным градиентом, а также высокая скорость их приложения, способная в определенных условиях приводить к охрупчиванию материала.

Впоследнее время появилось много работ по этому вопросу

всвязи с использованием лазерной техники. Описан характер разрушения в ионных кристаллах [605], в керамических мате­

риалах [606, 607]. в металлах [608, 609]. Значительные по вели­ чине тепловые импульсы, передаваемые образцу лучом лазера, способны вызвать мощную волну напряжений, достаточную для образования трещин в хрупких телах. В металлах протекает ряд явлений, приводящих к упрочнению [610—612].

Большой интерес представляет случай, когда импульсный нагрев приповерхностного слоя вызывает необратимую дефор­ мацию сжатия [613]. При охлаждении запас пластичности ока­ зывается недостаточным для полной релаксации возникающих растягивающих напряжений. Деформация протекает путем образования сетки трещин и последующего вскрытия их по­ лостей.

Разрушения подобного типа наблюдались при действии ду­ говой плазмы на керамические материалы [439, 450, 614], при облучении лучом лазера [605]. Дислокационная структура пора­ женного слоя описана в работе [450]; в этой же работе выявлены возможные источники роста термических трещин: микротре­ щины, оставленные после скола, ступеньки скола, места удара микрочастицами, присутствующими в плазме.

201