книги из ГПНТБ / Пух В.П. Прочность и разрушение стекла

и трещины. Время от возбуждения упругой волны до

стояния на фронте разрыва при взаимодействии его с упру­ гим возмущением [320], модуляция фронта разрыва осу­ ществляется поперечной волной, колебания (смещения) в которой перпендикулярны поверхности разрыва. По­ этому при расчете скорости роста фронта разрыва по линиям Вальнера скорость распространения упругого возмущения принимается равной скорости поперечной

ние распространения фронта сдвиговой волны (AiS^), т. е.

графическим дифференцированием этой кривой. Основ­ ную погрешность в оценку скорости роста фронта тре­ щины вносит степень надежности определения центра зарождения разрушения и начала линии Вальнера. Линии Вальнера хорошо видны только на гладкой поверх­ ности разрыва, которую можно получать при низких разрушающих напряжениях ^ 1 кГ/мм2 . Соответствую­ щей прочности можно достичь лишь при нанесении де­ фектов на поверхность образца. Однако сам дефект прв этом весьма велик и создает неопределенность в оценке центра разрушения, а рваные края образца не позволяют точно фиксировать и начало линии Вальнера. Погреш­ ность особенно значительна в начальной фазе разрушения.

120

Точность оценки скорости на начальных фазах раз­ рушения можно значительно повысить, используя искус­

Пока фрактографический анализ разрушения стекла используется мало 125, 310]. Однако его применение может дать дополнительную интересную информацию по кинетике разрушения, как это имеет место примени­ тельно к другим материалам [16,322]. Именно с помощью , фрактографического анализа Смекал [310] изучил влия­ ние ряда факторов на околозвуковую скорость разрыва.

В л и я н и е среды и температуры на кинетику роста макротрещнн

Воздействие влагосодержания. Известно [25, 323— 325], что степень влияния среды на скорость роста тре­ щины разрыва зависит от соотношения между числом связей, рвущихся в единицу времени, и скоростью под­ хода молекул среды в зону разрыва.

Как уже отмечалось, поступление молекул воды к вер­ шине растущей трещины может проходить как за счет ^диффузии паров воды из окружающей среды, так и за счет поверхностной миграции молекул воды, адсорбирован­ ных в поверхностном пористом слое стекла. Плотность потока пропорциональна коэффициенту диффузййГ кото­ рый в газовой среде на много порядков больше, чем в жид­ кости или твердом теле [326, 327]. Поэтому подвод моле-j кул воды к вершине растущей трещины в первую очередь осуществляется через газовую среду. Однако, когда содержание влаги в среде уменьшается (за счет вакууми- ( рования) настолько, что действием ее можно пренебречь, 1 начинает заметно проявляться влияние адсорбированной в пористом слое влаги. Для исключения и этого механизма диффузии воды к вершине растущей трещины необходимо проводить высокотемпературный прогрев образцов в ва­ кууме, во время которого происходит частичная десорб­ ция влаги из поверхностных пор [274].

Изучение прочности стекла при разном времени нагружения показало [135, 161], что в обычных атмосфер­ ных условиях интенсивность диффузии такова, что отри­ цательное действие влаги снимается лишь при времени

121

нагружения около Ю - 2 сек. Это соответствует линейной скорости диффузии паров воды порядка 10—100 мм/сек.

Очевидно, что при скорости роста трещины порядка 10~5 —Ю- 2 мм/сек. в обычных атмосферных условиях влияние влаги должно проявляться в полную меру во всем диапазоне скоростей. Действительно, кривые роста трещин в воде (рис. 65) и в атмосферных условиях при 40%-й влажности и 20° (рис. 66) практически совпадают.

Из рис. 65* следует, что кривые роста могут быть апроксимпрованы прямыми линиями. Наблюдаемые откло­ нения от прямолинейности можно рассматривать как дополнительное ускорение или замедление роста трещины на отдельных микронеоднородностях структуры. **

Прямолинейный характер зависимости логарифма ско­ рости роста от действующего среднего напряжения со­ гласуется с флуктуационной концепцией разрушения, если полагать, что долговечность определяется главным

циальный характер зависимости скорости роста от на­

\трещин можно отметить два прямолинейных участка и

* Н а р и с . 65 и с л е д у ю щ и х р и с у н к а х ж и р н а я л и н и я с о о т в е т ­ с т в у е т у с р е д н е н н о й с к о р о с т и р о с т а , а т о п к и е л ш ш п — с к о р о с т я м р о с т а о т д е л ь н ы х т р е щ и н .

* * В о з м о ж п о , что у с л о ж н е н и е к р и в ы х р о с т а с в я з а н о с х и м и ч е ­ с к о й н е о д н о р о д н о с т ь ю с т е к л а , к о т о р а я п р о я в л я е т с я ч е р е з р а з л и ч ­ н у ю и н т е н с и в н о с т ь в з а и м о д е й с т в и я с в л а г о й , т а к к а к в в а к у у м е с п р о г р е в о м , где в л а г а о т с у т с т в у е т , т а к и х ф л у к т у а ц и и и а к р и в ы х - р о с т а не н а б л ю д а е т с я .

122

успевают диффундировать к вершине растущей трещины, чтобы участвовать в разрыве связей. При более высоких скоростях роста диффузионный фронт не успевает за фрон­

ной скорости роста в условиях, где отрицательное дей­ ствие влаги исключено.

в вакуумной камере, а обусловлен поверхностной мигра­ цией адсорбированной влаги. В этом убеждают данные о росте трещин в образцах, предварительно прогретых при температуре 330° (вакуум 10~3 тор) с последующим охлаждением до комнатной температуры при поддержа­ нии заданного разрежения в камере (рис. 69).

Из рис. 69 следует, что когда исключено действие паров воды (вакуумная откачка) и адсорбированной на поверх­ ности влаги (предварительное прокаливание), перехода ный участок отсутствует и восстанавливается прямоли-

124

тической концепции разрушения и считать, что основное время при разрыве тела идет на рост микротрещиыы [306], то аналитически кривые роста можно описать следующим выражением:

где ѵ0, Ug и у — постоянные величины, определяемые физико-химической природой твердого тела и его структу-

Р и с . 69. К р и в ы е р о с т а т р е щ п п в в а ­

рой; к — постоянная Больцмаиа; Т — температура. Из вы­ ражения (25) следует, что наклон кривой роста должен определяться величиной коэффициента у, а величина на­ пряжения о, соответствующая началу роста,—энергией активации процесса разрыва U0.

Уменьшение напряжений, соответствующих определен­ ной скорости роста макротрещины, и уменьшение угла наклона кривой при переходе от вакуума с прогревом к влажной среде (см. рис. 70) свидетельствует об одно­ временном изменении U0 и у. Причем, благодаря действию поверхностно-активной среды обе эти величины уменьшаготся^Уменьшение U0 под действием влаги можно предг ставить себе как результат того, что присутствие молекул

126 .

воды рядом с рвущимися связями Si—О облегчает их разрыв благодаря химическому тззаимодействпю.

Понижение же значения коэффициента у (связанного с величиной перенапряжений в вершине трещины) сви­ детельствует о некотором благотворном действии среды. Очевидно, что уменьшение U0 значительно перекрывает снижение коэффициента перенапряжений, поэтому влага всегда снижает прочность. Однако известно, что предва-

^ _ — Р и с . 70. У с р е д н е н н ы е к р и в ы е р о с т а т р е щ и н п р и 2 0 ° в р а з л и ч н ы х у с л о в и я х .

предварительный прогрев 330°.

рительная обработка стекла водой [247] или паром [135] может повышать прочность.

Таким образом, сложный характер кривых временной зависимости прочности для стекла (см. рис. 70) в обычных атмосферных условиях, по-видимому, обусловлен одно­ временным изменением под действием среды U0 и у. Следует отметить, что этот вывод качественно согласуется

9* 127

Влияние температуры. Влияние температуры на проч­ ность и, следовательно, на кривые роста макротрещин услояшено действием влаги, содержащейся в окружаю­ щей атмосфере и адсорбированной на поверхности стекла. В соответствии с современными взглядами [274] наруж­ ный слой стекла представляет собой гель и влага адсорбируется в капиллярах гелевого слоя. Температура нагрева определяет различные энергетические уровни (т. е. глубину), с которых идет освобождение и непосред­ ственное испарение влаги. С ростом температуры растет, количество десорбированной влаги. Практически щ з ь " ная десорбция влаги со щелочного стекла на воздухе происходит при нагреве до 300—350° [274].

Поэтому для изучения действия температуры в наибо­ лее чистом виде сопоставление проведено для образцов, предварительно прогретых в вакууме при температуре 330°, Для исключения вторичной адсорбции влаги, наблю­ даемой при охлаждении образцов, прогретых в недоста­

участок (см. рис. 70), связанный с действием влаги, адсор­ бированной в макротрещине, исчезает. * И, главное, — кривые роста при охлаждении до 200° смещаются в сто­ рону больших напряжений, что является непременным условием флуктуационного характера разрушения. Это смещение составляет примерно 30 %.

Можно ли отнести такое смещение кривых роста при изменении температуры за счет флуктуационного меха­

в о с с т а н а в л и в а е т с я м о и о т о и п а я п р я м о л и н е й н а я з а в и с и м о с т ь л о г а р и ф м а с к о р о с т и р о с т а от н а п р я ж е н и я .

Ш 1

Р и с . 7 1 , К р и в ы е р о с т а т р е щ и н в в а к у у м е 1 0 ~ 3 т о р п р и 330° п о с л е п р о г р е в а п р и 3 3 0 ° .