8.1. Механизмы зарождения трещины

Ранее было указано, что начальная стадия хрупкого разрушения, как и вязкого, связана с пластической деформацией. Величина этой деформации может быть мала, но она имеет место, на что указывают результаты экспериментов.

Непосредственное изучение физической природы хрупкого разрушения стало возможным после привлечения теории дислокаций для объяснения механизма пластической деформации. Исходя из этих представлений было установлено, что критическим условием хрупкого разрушения является достижение напряжения течения. Если остановить растяжение на такой стадии, когда пластическое течение еще не захватило всю длину разрывного образца, то можно обнаружить трещины позади фрона Людерса-Чернова. Впереди фрона распространения линий Людерса-Чернова микротрещины не обнаружены. В связи с этим вопрос, не связано ли зарождение трещины с пластической деформацией, обусловленной движением дислокаций? Анализ взаимодействия дислокаций и был положен в основу механизмов образования трещин рядом исследователей.

8.1.1. Механизм Стро-Мотта

Одним из таких механизмов является механизм Стро-Мотта. Сущность этого механизма заключается в следующем. В результате движения дислокаций они могут встречать на своем пути различного рода препятствия (включения, границы зерен и др.). дойдя до препятствия дислокации останавливаются и происходит их накопление. В результате накопления дислокаций суммарная величина напряжений резко возрастает и может оказаться достаточной для образования зародышевой трещины. Схематически механизм зарождения трещины может быть представлен схемой, рис.43.

Известно, что вокруг дислокации существует поле напряжений. Над дислокацией действуют напряжения сжатия, а под дислокацией – напряжения растяжения. При накоплении дислокаций величина напряжений будет суммироваться и при скоплении определенного числа дислокаций величина напряжений может превысить прочность и вызвать разрыв связей между атомами в кристаллической решетке под скоплением дислокаций. В результате разрыва связей между атомами произойдет зарождение трещины.

Для случая плосконапряженного состояния Стро было предложено решение, позволяющее рассчитать величину поля напряжений вблизи заторможенной полосы скольжения, рис. 44.

, где:

τ₀–внешнее касательное напряжение в плоскости скопления дислокаций

L – длина дислокационного скопления

r – радиус вектор точки поля напряжений с азимутом θ (от вершины скопления)

σ_x и σ_y - компоненты тензора напряжений

τ_xy–максимальные касательные напряжения перед скоплением дислокаций в направлении первоначальной плоскости скольжения.

Если θ=0, то

Максимум нормального напряжения, вызывающего раскрытие трещины будет при θ=70⁰

Напряжение в узкой зоне у вершины скопления дислокаций может на 3 порядка превышать прикладываемые напряжения. Учитывая величину возникающих напряжений облегчается слиянием дислокаций, приводящее к росту зародившейся трещины. Развитие трещины возможно лишь в том случае, когда зародившаяся трещина по размерам будет превышать критическую. Расчетным путем было показано, что трещина принимает критический размер при скоплении ~100 дислокаций. Такой механизм зарождения хрупкой трещины подтвержден экспериментально в кристаллах окиси магния.