книги / Разрушение твердых тел
..pdfотметить, что эти трещины частично распространяются по самой
поверхности, однако большая их часть идет под поверхностью. На каждой данной поверхности все трещины идут в одном направ лении, причем эти направления противоположны для обеих поверхностей. Так, на рис. 4, а они распространяются слева напра во, а на рис. 4, б — справа налево. Данные весьма тщательно проведенного наблюдения согласуются со схемой действия еди ничной системы скольжения (или двух ортогональных систем), как показано на рис. 1, б.
удлинение, %
Рис. 5. Кривые деформация — напряжение для кристаллов ка менной соли, ориентированных в соответствии с рисунком 1, а. содержащих микротрещины на поверхностях ( 100) {Л) или
(010)(Б)
Эти два опыта ясно показывают, что анизотропное развитие микротрещин происходит по определенным направлениям, опре деляемым ориентацией вектора сдвига. В кристаллах каменной соли микротрещины наиболее быстро развиваются в направле нии < 1 0 0 > , нормальном к вектору Бюргерса.
Для дальнейшего подтверждения этого положения были ис пытаны кристаллы, у которых грани имели ориентацию куба и содержали микротрещины только на поверхности (010) (Б). В этих экспериментах предварительно деформировали кристалл на небольшую величину при комнатной температуре для уста новления ориентации активной системы скольжения, затем по верхность (010) (Б) обдували абразивом, после чего продолжа ли деформацию при температуре жидкого азота вплоть до раз рушения. При таких условиях пластичность кристаллов при температуре жидкого азота несколько повышалась (удлинение 3—4%), как это можно видеть на кривой Б (рис. 5), но разру
шение происходило все же от тонкой трещины, неизбежно возни кающей в плоскости (100) (А). Однако дополнительная пласти ческая деформация приводила к образованию на поверхности Б микротрещин, идущих на небольшом протяжении перпендику лярно поверхности, а затем в направлении [010]. Такие трещины можно наблюдать в проходящем свете. Повышенная чувстви тельность каменной соли к влиянию микротрещин, созданных на поверхности (001) (А), является весьма важным и заслуживаю щим внимания фактом. Действительно, было найдено, что при сопоставимых величинах напряжений и деформаций протяжен ность микротрещин в направлении [010] больше в том случае, когда они находятся на поверхности Л, а не на поверхности Б\ протяженность трещин на поверхности Л в свою очередь больше, чем в случае расположения их на поверхности Б. Такую оценку можно сделать, сравнивая длину развитых трещин на рис. 3, а и 4. Другими словами, скорость распространения поверхностных микротрещин в процессе деформации зависит от ориентации де фектной поверхности. Ниже будет показано, что это можно свя зать с величиной относительных смещений, вызываемых единич ным скольжением по трем соответствующим плоскостям, а сле довательно, и с ориентацией вектора сдвига в образце.
Будет полезно дать промежуточное обобщение результатов изучения поведения кристаллов каменной соли при температуре жидкого азота.
1. Микротрещины развиваются анизотропно вдоль направле ния < 1 0 0 > перпендикулярно вектору Бюргерса активной систе мы скольжения.
2.Зависимость скорости развития микротрещин от деформа ции определяется ориентацией поверхности, содержащей микро трещины, и наиболее значительна, когда эта поверхность ориен тирована таким образом, что смещение по ней при скольжении наиболее велико.
3.Хрупкое разрушение зарождается от развивающихся мик ротрещин, и поэтому пластичность также связана с ориентацией дефектной поверхности.
Комнатная температура
Аналогичные эксперименты были проведены при комнатной температуре. В этом случае было значительно проще соблюдать и контролировать чистоту эксперимента, ибо начальное совер шенство отполированных водой поверхностей можно было под держивать без особых затруднений. Для испытаний на растяже ние были изготовлены образцы, тщательно полированные и не содержащие поверхностных загрязнений; перед испытанием ло кальные участки изучаемых поверхностей подвергали обдувке карбидом кремния.
102
разрушения. При обдувке только поверхности (100) (Л) дефек ты распространялись при пластической деформации, как указано на рис. 6, а, и разрушение происходило так же, как и в предыду щей серии опытов (см. рис. 5, кривая Л, и рис. 7, а). При обдувке только поверхности (010) (Б) поведение кристалла резко изме нялось. Заметно возрастала деформация перед разрушением, ха рактер поверхности разрушения приобретал иной вид.
Как видно из кривой деформации на рис. 5, б, деформа ция кристалла достигает 30—35%, а разрушение наступает при напряжении порядка 303,6 Мн/м2 (31 кГ/мм2). Тщательное ис следование поверхности, подвергнутой обдувке, показывает, что большинство начальных дефектов, как например дефект Б на рис. 1, а, разрастается в трещины, ориентированные в направле нии [010], нормально к поверхности (010) (5). В некоторых слу чаях одна из таких развившихся микротрещин вызывает зарож дение разрушения и тогда поверхность разрушения выглядит так, как это показано на рис. 7, б. Однако чаще разрушение за рождается от внутренних дефектов и поверхность разрушения приобретает вид, показанный на рис. 7, в. К вопросу о сходстве рис. 7, б и 7, в, если не считать источника разрушения, мы еще вернемся.
Для экспериментов третьей серии были изготовлены кристал лы, поверхность которых совпадала с плоскостью {НО} (см. рис. 1, б). Результаты наблюдения качественно были аналогич ны результатам, полученным ранее при температуре жидкого азота: трещины развивались под углом 45° к поверхности (рис. 4), однако глубина проникновения и общая протяженность микротрещин в данном случае были не столь большими. Меха нические свойства кристаллов оказались средними между свой ствами, характеризующимися кривыми Л и £ на рис. 5; пластич ность достигала примерно 25%, а разрушение происходило при
напряжениях порядка 245 Мн/м2 (25 кГ/мм2). |
Разрушение за |
рождалось от дефектов поверхности (ПО) (В ). |
|
Теперь можно подвести итоги результатов испытаний камен |
|
ной соли при комнатной температуре. |
вдоль направ |
1. Микротрещины разрастаются анизотропно |
|
ления < 1 0 0 > перпендикулярно вектору Бюргерса активной си |
|
стемы скольжения, а скорость распространения трещины наибо лее велика, когда дефектная поверхность ориентирована таким образом, что смещение по ней при скольжении является наи
большим.
2. Хрупкое разрушение зарождается от развившихся микро трещин. Механические свойства определяются ориентацией де
фектной поверхности.
3. Развитие микротрещин происходит по одним и тем же по верхностям, но значительно медленнее, чем при температуре жидкого азота.
В этом разделе будет дана интерпретация двух основных осо бенностей анизотропного роста микротрещин: 1) зависимости скорости развития трещин от их ориентации; 2) направления рас пространения трещин.
Важно отметить с самого начала, что трещины должны быть нераспространяющимися, если исходить только из условий вы свобождения упругой энергии, т. е. если рассматривать эти тре щины с позиций Гриффитса. Так, по Гриффитсу, критическая длина трещины С связана с приложенным напряжением о урав нением
|
С = Еу/а2. |
|
|
Здесь Е — модуль Юнга |
(0 ,4 -4 -10й Мн/м2) [8]; |
соли, |
|
у — поверхностная |
энергия, равная для каменной |
||
по данным i[9], 300 мдж/м2. |
|
|
|
Принимая о = 2,4—24 Мн/м2 (0,35—3,5 кГ/мм2), получим со |
|||
ответствующие критические размеры |
трещины равными |
11,1— |
|
0,1 мм. При обычном разрушающем |
напряжении, равном при |
||
комнатной температуре 13,7 Мн/м2 (1,4 кГ/мм2), для кристаллов каменной соли, содержащих поверхностные дефекты, критиче ский размер упругой трещины должен составлять 0,76 мм, что значительно больше размера большинства испытанных образцов и, естественно, намного превышает размеры дефектов, вводимых обдувкой поверхности образца (размер этих дефектов обычно не превышает 0,025 мм).
С теорией Гриффитса не согласуется тот факт, что прочность кристалла, испытанного при температуре жидкого азота, состав ляет 4,1—5,4 Мн/м2 (0,42—0,56 кГ/мм2), а при комнатной темпе ратуре 13,7 Мн/м2 (1,4 кГ/мм2). Такое различие в прочности нельзя объяснить изменениями Е или у, ибо обе эти характери стики возрастают с понижением температуры.
Впервые обратил внимание на это несоответствие теории Гриффитса с экспериментальными данными по разрушению полухрупких материалов Орован в 1934 г. [10], и в последнее время вопрос снова был поднят Орованом [5], Коттреллом [см. 4] и Кларком с сотрудниками [3, 4]. Эти авторы предположили, что развитие трещин должно быть связано с процессом пластиче ской деформации и выдвинули мысль о том, что механизмом, ответственным за развитие трещин, является различного рода взаимодействие между полями напряжений, создаваемыми дис локацией и трещиной. Обзор этих механизмов дан в статье Кларка с сотрудниками [4]. Для наших целей механизмы Орована и Коттрелла оказываются непригодными, ибо в соответст вии с ними трещина должна иметь тенденцию уходить в глубь кристалла в направлении, перпендикулярном наблюдавшемуся
106
нами экспериментально; механизм, предложенный Кларком с сотрудниками, не имея этого недостатка, не может вместе с тем
•объяснить зависимость скорости роста трещины от ее ориен тации.
Мы считаем, что рост микротрещины является просто следст вием пластичности кристалла и его можно не связывать с кон кретными механизмами взаимодействия дислокаций. Рассмот рим сначала характер деформации кристалла на рис. 1, а при отсутствии поверхностных дефектов. Предположим, что сколь жение происходит гомогенно по всей рабочей части образца. При удлинении кристалла происходит поворот решетки, что приво дит к равномерному поперечному сужению в направлении [100], но не в направлении [010]; размеры в направлении [010] остаются постоянными в результате определенной ориентации вектора сдвига. По той же причине площадь поверхности (010) (Б) тоже должна сохраняться неизменной, в то время как площадь по верхности (100) (Л) возрастает. Это увеличение площади сопро вождается, естественно, образованием ступеней скольжения на поверхности (100) (Л).
При наличии поверхностных микротрещин гомогенность де формации поверхности (100) (Л) заметно нарушается, что свя зано с действием каждой микротрещины как локального источ ника торможения деформации, препятствующего выходу сколь жения на эту поверхность. Таким образом, когда в материале, окружающем микротрещину Л (рис. 8, а), происходит пластиче ская деформация, создаются предпосылки для общего увеличе ния этой поверхности. Увеличение поверхности может происхо дить либо в результате удлинения трещины в поперечном направлении до размеров А'А' без изменения радиуса кривизны ■ее вершины (рис. 8, б), либо чаще путем раскрытия трещины (рис. 8, в). Далее мы покажем, что более высокая скорость раз вития микротрещин по поверхности (100) (Л) и повышенная чувствительность к поверхностным дефектам, свойственные ка менной соли при температуре жидкого азота, являются следст виями перехода от второго механизма роста трещины к первому.
Можно считать, что концентрация пластической деформации, вызываемой микротрещиной, будет зависеть от ориентации по верхности, в которой она расположена. Концентрация деформа ции наиболее значительна, когда величина трансляционного смещения на поверхности достигает максимума, как на рис. 1, а. В случае Б трансляционное смещение поверхности при скольже нии отсутствует, сдвиг на поверхности связан лишь с вращением
и микротрещина |
не |
препятствует пластической |
деформации. |
В случае В (рис. |
1, б) |
имеется и трансляционный, |
и поворотный |
сдвиг, но степень концентрации пластической деформации, вы званная поверхностными дефектами, меньше, чем для случая Л. Мы полагаем, что изменение величины концентрации пластиче-
107
ской деформации — один из факторов, ответственных за наблю даемую зависимость скорости роста поверхностных микротрещин от их ориентации.
Вторая особенность анизотропного роста микротрещин, тре бующая объяснения,— это существование направления предпо чтительного роста трещины. Весьма яркий пример проявления этой особенности показан на рис. 4; здесь в результате роста микротрещины образовалась трещина с ориентацией [010], рас положенная под углом 45° к поверхности.
Такая особенность поведения каменной соли весьма близка к поведению MgO, где также найдены трещины, развивающиеся
[001] |
<=> |
|
0 |
L |
д |
|
|
м ____ |
\ |
1 |
|
|
а |
||
|
б |
в |
|
Рис. 8. Развитие трещины по поверхности (100) (Л):.
а — исходное состояние; б — развитие микротрещины в поперечном направлении при неизменном радиусе закругления вершины трещины; в — раскрытие микротрещины в результате ее округления
при пластической деформации в направлении [010] [И]. В самом деле, рассматриваемый здесь механизм, позволяющий объяснить наблюдаемые особенности, поведения каменной соли, основан на описанном ранее механизме для MgO [11, .12]. В этих работах было показано, что микротрещины в MgO стабилизируются при пересечении ими полос скольжения (рис. 9, а). Причиной явля ется образование ступеньки на поверхности скола при пересече нии трещины скола с винтовой дислокацией [13]. Тогда, если тре щина Б достигает полосы скольжения (101) (рис. 9, а ), плот ность ступенек скола возрастает в соответствии с внезапным ростом плотности дислокаций. В MgO плотность дислокаций в полосах скольжения особенно высока (109— 1010 см~2) и хотя удельная поверхностная энергия у может оставаться неизмен ной, эффективная-поверхностная энергия у' для развития тре щины поперек полосы скольжения возрастает в результате об разования новых поверхностей. В противоположность этому при
развитии трещины параллельно полосам скольжения (101) эф фективная поверхностная энергия у " может снижаться, так как у края полосы скольжения многие атомные связи уже нарушены. Эту идею выдвинул Гилмен [14], исходя из результатов исследо ваний скола в цинке. Когда у " <С у \ возможен анизотропный
108
рост трещины. В MgO поверхностные энергии плоскостей (101) и (001) должны быть одинаковыми; следовательно, трещины бу
дут образовываться преимущественно в плоскостях (101) у кра ев полос скольжения и затем анизотропно разрастаться вдоль узких промежутков между ортогональными полосами скольже ния (101) (рис. 9, а). Если скольжение в ортогональной системе
отсутствует, трещина (101) не будет стабилизироваться [12]. Направлением роста является линия пересечения плоскостей
скольжения (101) и (ЮГ) или [010], как это показано на ри сунке.
Рис. 9. Анизотропный рост микротрещины в кристаллах со структу рой каменной соли:
а — зародыш трещины развивается по плоскости скольжения (101) и образует трещину в промежутке между ортогональными плоскостями скольжения (101); б — зародыш трещины развивается по плоскости скольжения (001) и обра зует трещину Б в промежутке между параллельными плоскостями скольжения (101)
Возвратимся теперь к хлористому натрию и приведенным экс периментальным данным. Необходимо предположить, что по верхностная энергия плоскости скола (001) (рис. 9, б) значи тельно меньше, чем для плоскости (101), так что микротрещина Б предпочтительно будет оставаться в плоскости (001), в кото рой она зародилась. Рост трещины будет анизотропным и огра ниченным промежутком между параллельными полосами сколь жения (рис. 9, б). Направлением роста трещины является линия пересечения плоскости скольжения (101) с плоскостью скола (001); для структуры каменной соли это будет направление [010], перпендикулярное вектору Бюргерса.
Кроме описанной выше концентрации пластической деформа ции, на ориентационную зависимость скорости роста поверхност ных микротрещин оказывает влияние величина угла между сле дами активной плоскости скольжения и плоскости скола на поверхности кристалла. Например, на поверхности (001) (Л) следы плоскостей.скольжения и скола параллельны и потому полосы скольжения не препятствуют продольному развитию мик ротрещины Л. На поверхностях (010) (Б) и (ПО) (В ) углы
109
между следами плоскостей равны 45 и 35° соответственно и по тому продольное развитие микротрещин Б и В затрудняется не обходимостью пересечения полос скольжения.
Весьма важно отметить, что в кристаллах со структурой ка менной соли направление [010] преимущественного роста трещин, находится в плоскости (100) (А) (рис. 1, а), в которой пласти ческая деформация максимально затруднена при наличии ми кротрещин. Это направление, определяемое пересечением плос костей скольжения и скола, не во всех кристаллических структу рах расположено перпендикулярно вектору Бюргерса. Влияние этого совпадения на хрупкость кристаллов со структурой типа каменной соли, или полухрупких кристаллов, пока еще не впол не ясно, в то же время комбинация описанных двух факторов, делает поверхность (100) (Л) кристаллов каменной соли крайне чувствительной к надрезам, а перпендикулярная к ней поверх ность (010) (Б) фактически нечувствительна к наличию де фектов.
Далее будут обобщены результаты исследований механиз мов роста микротрещин в монокристаллах каменной соли.
Можно предположить, что основным фактором, ответствен ным за развитие трещин, является локальная концентрация пла стической деформации, вызываемая каждой микротрещиной. Концентрация деформации максимальна в плоскости, для кото рой трансляционный сдвиг при скольжении максимален.
Продвижение трещин анизотропно, так как они гораздо лег че развиваются параллельно полосам скольжения, чем пересекая их. Таким образом, 'предпочтительным направлением роста тре щины является линия пересечения плоскости скола с плоскостью скольжения. В монокристаллах каменной соли, в которых проис ходит скольжение по одной системе, эта линия пересечения так же лежит на поверхности пластической деформации; комбина ция этих двух факторов делает эту поверхность особо чувстви тельной к надрезам.
Гомогенность скольжения не является обязательным услови ем возможности действия описанного механизма развития тре щин; в самом деле, в большинстве полухрупких материалов, скольжение носит гетерогенный характер. Единственное обяза тельное условие — пересечение полосой скольжения микротре щин в местах их выхода на поверхность кристалла. В ионных кри сталлах это требование выполняется автоматически; вероятно,, это справедливо и для других полухрупких материалов, так как микротрещина сама действует как источник дислокаций.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РОСТ МИКРОТРЕЩИН
Как было указано в предыдущем разделе и проиллюстриро вано рис. 8, микротрещина, находящаяся на поверхности (100)
110