книги / Физические основы торможения разрушения

таким образом оценивали общее увеличение поверхности разруше­ ния. Так, для бикристаллов с границей наклона 0 = 25° поверх­ ность трещины возрастает в 1,2—1,3 раза, в случае же трикристалла с разориентировками 15, 15 и 25° увеличение составляет более чем 1,5.

5. Пластическая деформация, протекающая в зоне взаимодей­ ствия, связана как с образованием ступеней скола, так и с ветвле­ нием трещины в момент прорыва. Кроме того, в результате оста­ новки трещины в ее вершине образуются полосы скольжения, для которых граница также служит препятствием (рис. 25, д). Из данных, полученных Лангом [86] для бикристаллов MgO, энер­ гия, потребляемая пластической деформацией, на два порядка превышает истинную поверхностную энергию при углах разво­ рота зерен 20°.

6. Сложный характер напряженного состояния в районе тор­ можения может приводить к распространению по плоскостям сколь­ жения (110) участков фрагментированной трещины в поле каса­ тельных напряжений. Согласно схеме Инденбома [88], в этом слу­ чае возникает смещение частей границы, что требует дополни­ тельных затрат энергии и увеличения нагружающего усилия

где I — величина смещения частей границы; о — средние напря­ жения; L — длина фронта трещины; А = G/(l — v) (G — модуль сдвига).

Эксперименты по наблюдению трещин в активных плоскостях скольжения показывают, что границы наклона во всем исследуе-

Г л а в а Ш

ВЗАИМ ОДЕЙСТВИЕ ТРЕЩИН С ДВОЙНИКОВЫМИ ПРОСЛОЙКАМИ

Предположение о реальных возможностях торможения быстрых

имедленных трещин двойниками основано на ряде положений,

ккоторым в первую очередь следует отнести то обстоятельство, что, будучи областью переориентированной кристаллической ре­ шетки, двойник представляет собой макроскопический дефект. Очевидно, что барьерные свойства двойника будут определяться уровнем искаженности и степенью ее локализации. Многоплано­ вость воздействия двойника на распространяющуюся трещину связана с иной ориентировкой плоскости спайности, вследствие чего напряженное состояние вокруг трещины меняется, и с нали­ чием по границе прослойки дислокационных рядов, способных непосредственно взаимодействовать с дислокациями вершины тре­ щины путем достаточно неизученных дислокационных реакций. Отсюда вытекает еще одно, пожалуй, ничуть не менее важное следствие. Дело в том, что двойниковая прослойка служит источ­ ником мощных внутренних напряжений в матрице материала, которые простираются на существенные расстояния и воздей­ ствуют на распространяющуюся трещину. Это часто имеет боль­ шое значение, так как многими экспериментами доказано, что ло­ кальные напряжения на пути трещины могут существенно влиять на характер ее распространения. При этом разрушение способно ускоряться, замедляться и останавливаться вовсе в зависимости от характера и величины упругих напряжений, а также от протя­ женности областей их локализации.

1. Д В О Й Н И К О В А Я П Р О С Л О Й К А В КА ЧЕС ТВА Б А Р Ь Е Р А НА П У ТИ Т Р Е Щ И Н 1

В. М. Финкель, В. А. Федоров, М. М. Кижнер изучали взаимо­ действие трещин с двойниковыми прослойками на кристаллах ис­ ландского шпата, формоизменение которого протекает исключи­ тельно двойникованием. Было исследовано влияние отдельных и полисинтетических двойниковых ламелей на развитие квазисгатических и быстрых трещин.

ром 15Х 15X 40 мм вдоль большой диагонали их поперечного сечения в зажимах с рифленой поверхностью . Метод позволяет создавать не только единичные ста­ тические и упругие заклинивш иеся двойники, но и полисинтетические двойни­ ковые скопления. П ри этом деформирование протекает преимущественно по одной

из плоскостей дпойниковаиня. Н епреры вное наблю дение за процессом нагруж е­ ния дает возможность прекращ ать его на определенном этапе и получать про­ слойки необходимых параметров. Д еф ормированны е таким образом кристаллы

трещины более структурно чувствительны и позволяют полнее оценить влияние того или иного дефекта на их распространение. Во многих кристаллах (NaCl, LiF, КС1) развитие пластической деформации в вершине активной трещины определяет скачкообраз­ ный характер разрушения. В кальците же отсутствие пласти­ ческих сдвигов в вершине вскрытия приводит к равномерному росту трещины. Это дает возможность получать в исследуемых кристаллах квазистатическое разрушение.

Взаимодействие квазистатических трещин с двойниковыми про­ слойками изучали в установке, смонтированной на базе микро­ скопа МБИ-11, спаренного с камерой СКС-1М. Скорость трещины варьировалась от 0,1 до 5 мм/с. Темп съемки в зависимости от скорости трещины изменялся от 100 до 500 кадров в секунду.

Для оценки эффективности влияния двойников на квазистатическую трещину использовали критерий Ирвина, согласно ко­ торому разрушение происходит при G > GItp,. где G — сила, вы­ зывающая распространение трещины обычного типа — раскры­ тие. Усилия, возникающие на ноже при расколе кристалла, фикси­ ровали тензометрическими датчиками с записью показаний на осциллографе.

Возможны три варианта взаимодействия трещины (100) с двой­ никами (011), (101), (ПО) в кальците. Исследованиями выявлено несколько характерных случаев поведения трещины в районе ста­ тической прослойки/рис. 28).

1. Двойник, ориентированный вдоль (011), требует дополни­ тельных затрат энергии на его преодоление. Поскольку плоскости трещины в двойнике и матрице развернуты относительно друг друга на угол 38°, происходит снижение напряжений в вершине тре­ щины при распространении ее в двойнике [91, 92]. В начале взаи­ модействия всегда наблюдается полное распределение фронта скола по границе прослойки (рис. 28, а). Прорыв двойника свя­ зан с увеличением усилий на ноже. Рост напряжений в вершине трещины может привести и к отколу кристалла по плоскости спай­ ности вдоль границы двойника (рис. 28, б) или вызвать перемеще­ ние границы двойниковой прослойки с одной из сторон трещины (рис. 28, в).

При взаимодействии с двойником (011) трещина' пересекает преимущественно винтовые компоненты двойникующих дислока­ ций. Это приводит к образованию многочисленных ступеней скола на винтовых дислокациях и в результате к увеличению по-

84

Рнс. 28. Схемы пзапмодсйстпня медленных трещин с дпойннкопымн прослойками в кальците

верхности вскрытия, что связано с дополнительной потерей энер­ гии.

Изменение коэффициента интенсивности напряжений К\ для

кристаллы со средней плотностью дислокаций на границе двой­ никовой прослойки порядка 103—103 см-1. Исследование взаимо­ действия трещины с практически бездислокационными двойни­ ковыми границами (011) показало, что общее изменение коэффи­ циента интенсивности напряжений составляет 2—4%, что опре­ деляет вклад дислокаций в стопорящие свойства двойника: 25— 35%.

При значительной некогерентности границ (высокой плот­ ности дислокаций) —4О4 см-1 замеченыобратимые вскрытия и ветвление трещины на выходе из прослойки (рис. 28 г). Сплош­ ность материала при этом нарушается преимущественно не по плоскости спайности с образованием существенного рельефа на поверхности скола.

2. В кристаллах с двойником (101) прежде всего изменялась геометрия фронта движения трещины и прорыв им двойного барь­ ера происходил неодновременно (рис. 28, д), что связано с искаженностью границы матрица—двойник. Именно увеличение плот­ ности дислокаций ведет к активации стопорящих свойств двой­ ников. Так, при скорости разрушающей трещины —1 мм/с и плот­ ности двойиикующих дислокаций 100 см-1 наблюдалось лишь незначительное выравнивание фронта трещины. При плотности дислокаций около 5 • 103 см-1 трещина, перемещавшаяся с такой же скоростью, время от времени останавливалась на 0,5—0,6 с. На высокоиекогерентных границах и полисинтетических двойниках иногда наблюдался откол кристалла в ортогональном направле­ нии (рис. 28, е).

Внекоторых случаях влияние двойника типа (101) приводило

кискажению траектории трещины (рис. 28, ж) и разрушение полностью останавливалось. Дальнейшее развитие скола начина­

лось при заметном возрастании усилий на ноже (см. табл. 4) и всегда не из застопоренной вершины.

85

Таким образом, трещина, вторгаясь в область с напряжениями сжатия и растяжения, начинает реагировать на наличие двойни­ ковой прослойки задолго до того, как вступает с нею в непосред­ ственный контакт. Это означает, что упругое поле, создаваемое двойником, способно активно воздействовать на распростране­ ние трещины.

Исходя из этого трещину можно рассматривать как индикатор полей упругих напряжений в окрестности двойника, позволяющий определить их знак. Надежность такого индикатора возрастает

спадением скорости распространения разрушения.

3.Изменение усилий на ноже в случае прослоек (ПО) очень незначительно и укладывается в погрешности измерений (см. табл. 3). В процессе развития трещины часть фронта ее продви­ гается в сдвойникованном массиве. При этом наблюдается слабое притормаживание и отставание этой части фронта от лидирующих участков (рис. 28, з).

Взаимодействие быстрых трещин с двойниковыми прослойками

висландском шпате. Кинетику распространения быстрых трещин (700—900 м/с) в деформированных кристаллах кальцита изучали на модифицированной установке, включающей сверхскоростной фоторегистратор СФР-1М. Во избежание двойного изображения на пленке (кристаллы исландского шпата представляют собой двупреломляющую систему) перед объективом камеры помещали поляроид, гасящий один из лучей. Скорость съемки процесса взаимодействия трещины с двойниковой прослойкой составляла

625 000 кадров в секунду.

86

Исследованиями установлено, что эффективность торможения трещин двойником определяется его видом (единичный, полисин­ тетический), а также ориентировкой его по отношению к трещине и возрастает с увеличением степени некогерентности границы двойника и падением скорости разрушения.

При пересечении отдельной прослойки лишь несколько иска­ жается фронт трещины, тогда как в случае полисинтетического двойника наблюдаются значительные остановки. Максимальное зарегистрированное время остановки трещины на прослойках типа (101) составляет 5—7 мкс, на прослойках типа (011)— до 9—10 мкс (рис. 29, а, б). Как и в квазистатическом варианте, про­ рыву трещиной двойника (011) предшествовало полное распре­ деление фронта скола по границе дефекта.

Нередко магистральная трещина вызывает появление вторич­ ных вскрытий (рис. 29, в), задерживающих ее развитие. Скорости распространения вторичных трещин — того же порядка, что и магистральной. В некоторых случаях энергетические затраты на развитие вторичных трещин были столь велики, что приводили к почти полной релаксации напряжений в вершине магистральной трещины, вызывая ее схлопывание (рис. 29, в).

Появление вторичных вскрытий можно объяснить высокой кон­ центрацией напряжений в вершине трещины в момент ее стопоре­ ния на двойнике, которое связано прежде всего с искаженностыо границы матрица—двойник и пропорционально ей. Именно на границах с высокой плотностью дислокаций наблюдались макси­ мальные остановки роста трещин, а также чаще всего происходили вторичные вскрытия. Вместе с тем высокая концентрация напря­ жений может привести к зарождению в вершине застопоренной трещины упругого двойника, который, пересекаясь со статическим двойником, вызывает образование канала Розе второго рода (КР2) [94]. Последний окружен системой микротрещин, способных по­ глощать энергию и развиваться.

Прослойки типа (110) почти не оказывают сопротивления рас­ пространению быстрой трещины.

Оценка сил взаимодействия трещины и двойниковой прослойки. Для оценки сил взаимодействия двойника и трещины использо­ ваны дислокационные модели этих дефектов, так как известно, что поле упругих напряжений около трещины и двойника можно определить полем эквивалентной плоской конфигурации фиктив­ ных дислокаций.

Трещину можно представить в виде отдельной дислокации или распределенного ряда дислокаций. Предварительная оценка сил взаимодействия трещины, заданной одной дислокацией и их рядом, с дислокационной двойниковой прослойкой показала практически адекватное изменение этих сил с небольшой разницей лишь в ко­ личественном отношении. Была выбрана первая модель, более простая при расчетах, с вектором Бюргерса Ьтр = 6,412 А.

87

Рассматриваемая модель — чисто упругая и не учитывает не­ обратимых потерь энергии трещины при взаимодействии ее с двой­ ником. Не учитывает эта модель и анизотропии свойств кристал­ лов кальцита.

Начальными условиями предполагается, что длина двойника ограничена и составляет 1 см. Тогда при заданной плотности дисло­ каций их число на границах составит 10 000 и 1000. Векторы Бюргерса дислокаций ориентированы вдоль направления двойникования. В работе [96] показано, что двойникующие дислокации со­ седних границ взаимодействуют друг с другом на расстояниях менее 100 А. В связи с этим были исследованы прослойки шири­ ной 1 и 100 мкм, что соответствует случаям упругого взаимо­ действия границ двойника и отсутствия их взаимодействия.

Сила взаимодействия трещины с двойниковой прослойкой опре­

89

где бхх; оУу\ бху компоненты тензора Напряжений от единичной дислокации некогерентной границы; а'хх] сг'уу\ о'ху — компоненты тензора напряжений от единичной дислокации когерентной гра­ ницы.

Рассмотрены два варианта взаимодействия трещины с двой­ ником. В первом случае траектория трещины пересекает двойни* ковую прослойку (рис. 31, а), во втором распространяется парал­ лельно ей (рис. 31, б). Силы взаимодействия трещины с двойни­ ковой прослойкой рассчитывали на расстояниях до 100/г, с интер­ валом 0,2/г,. В результате расчета получены следующие зависи­ мости изменения сил Fx и Fy (см. рис. 31).

Анализируя полученные данные, необходимо отметить, что характер изменения сил при взаимодействии трещины и двойника

90