Дислокационные модели зарождения и распространения трещин. Роль структуры и величины зерна.
В современных трактовках процесса разрушения используется представление о том, что зарождение трещин является результатом сильной локальной концентрации напряжений, чаще всего у дислокационных конфигураций, формирующихся в процессе предшествующей разрушению пластической деформации. Наиболее часто трещины возникают у вершины скоплений дислокаций вблизи каких-либо барьеров включений избыточных фаз, границ зерен, двойников, сидячих дислокаций и т.д.
Дислокационные трещины и поры требуют для своего возникновения предварительной деформации, создающей избыточную концентрацию дислокаций или вакансий в локальных объемах. Дислокационная трещина механически может быть стабильной даже при малых размерах, так как создаёт вблизи себя большие внутренние напряжения (рис.За).
Рис.З Дислокационная трещина (а) и пора (б)
Локальная упругая энергия единицы объема вблизи дислокации пропорциональна квадрату Бюргерса b2. Если вектор Бюргерса увеличится в п раз из-за скопления дислокаций, то упругая энергиявозрастет в п2 раз. При достижении в локальном объёме у головы скопления дислокаций критического значения упругой энергии, происходит раскрытие трещины. Раскрытие трещины в ядре дислокаций зависит также и от типа расщепления ядра дислокаций, определяемого исходным состоянием материала в пластическом состоянии происходит уширение дислокаций в плоскости скольжения; в хрупком состоянии - раскалывание ядра дислокаций перпендикулярно плоскости скольжения в растянутой области. Дислокационные трещины и поры термически не стабильны и могут залечиваться, трансформируясь в стенку из краевых дислокаций и распадаясь на дислокационные петли.
Ни одно представление о механизме разрушения не обходится без дислокационных моделей разрушения, ставших уже классическими. Наиболее признанные приведены ниже:
Модель Зинера-Стро. Связана с образованием плоского скопления у препятствияи слиянием дислокаций у головы скопления (рис 4а), эта модель требует наличия прочных препятствий.
Модель Коттрелла. В соответствии с моделью Коттрелла (рис. 46) скопление дислокаций может происходить и в отсутствие физического барьера - при пересечении активных плоскостей скольжения.
Модель В.И. Владимирова и Ш.Х. Хананнова. Более сложные схемы зарождения трещины и их затупления (рис. 4в, г) при наличии нескольких скоплений дислокаций, расположенных в параллельных плоскостях скольжения.
Рис.4 Дислокационные модели зарождения трещин
Считают, что образование микротрещин размером 10 5 см есть элементарный акт процесса разрушения в кристаллах. Дальнейшее поведение микротрещин такого размера сильно зависит от характера дислокационной структуры, определяющей механизм роста дислокационных трещин.
Некоторые примеры механизмов роста дислокационных трещин приведены ниже.
Механизм Орована. В соответствии с этим механизмом (рис. 5а) рост существовавшей ранее трещины инициируетеся приближающейся полосой скольжения. Когда расстояние между полосой и трещиной станет достаточно малым возникает скол.
Модель Паркера В основе модели лежит встреча двух пачек скольжения в окрестностях поверхностнойтрещины ( рис. 56).
Модель Коттрелла-Орована. Здесь возможно слияние трещины, и генерируемой по механизму Коттрелла, с поверхностной трещиной(рис 4в).
Модель Орлова А.Н. Связана с подрастанием микротрещин, при этом серия полос скольжения заблокирована границей или каким-либо барьером (рис. 5г,д). Дислокационный источник, питающий полосу скольжения, заперт обратными напряжениями от скопления дислокаций. Если в процессе сдвига образовалась микротрещина, то скопившиеся дислокации должны войти в неё и тем самым разблокировать источник Франка-Рида В этом случае напряжения снижаются, а лавина дислокаций вновь инициирует скачок трещины.
Рис. 5 Механизмы распространения микротрещин
По мере повышения напряжения в локальной области впереди вершины трещины начинает протекать пластическая деформация, которая, с одной стороны, снимает концентрацию напряжении, вызванную наличием трещины, а с другой - приводит к образованию микроскопических трещин впереди магистральной трещины, облегчая её продвижение.