книги / Разрушение твердых тел
..pdfРАЗРУШЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЦИНКА
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы цинка легко разрушаются по плоскости базиса. Этот факт уже давно известен [1]. Однако механизм, определяю* щий разрушение, еще не вполне ясен. Существовало мнение о том, что разрушение происходит, как только величина растяги вающего напряжения, нормального к плоскости базиса, превосхо дит определенное критическое значение [1]. В более поздних экс* периментальных работах [2, 3] было показано, что величина рас тягивающего напряжения, нормального к плоскости базиса, при разрушении в зависимости от условий испытания изменяется,
вшироких пределах.
Вряде работ пытались объяснить механизм разрушения цин
ковых монокристаллов, исходя из того, что разрушение ини циируется в областях с высокой концентрацией напряжений, вызываемой определенным взаимодействием дислокаций. В этих объяснениях рассматривалось только взаимодействие между дис локациями, двигающимися в плоскости базиса, ибо до последнего времени [4] базисное скольжение считалось единственно возмож ным видом пластической деформации цинка. Деруиттер и Гри* наф [2], а также Гилмен [3] предложили теорию разрушения* основанную на энергетических представлениях и предсказываю щую снижение сопротивления сколу по любой плоскости, содер жащей большое число дислокаций, в частности, по плоскости ба зиса в цинке. Стро [5] высказал предположение о том, что трещи ны в цинке зарождаются под действием высоких напряжений* возникающих у концов границ наклона, прерывающихся внутри кристалла. Обе эти теории предсказывают снижение растяги вающего напряжения, необходимого для разрушения по плоско сти базиса, в том случае, когда по этой -плоскости происходит пластическое течение. Несомненно, что может быть представлено большое число различных моделей образования трещин, осно ванных на взаимодействии дислокаций. Следовательно, для того,, чтобы установить, какая теоретическая модель может описать тип разрушения, происходящего в данных условиях, необходимы экспериментальные данные.
Полученные ранее экспериментальные данные о разрушении цинка были недостаточны для возможности четкого разграниче ния многих теоретически возможных механизмов. Одной из при чин такой ограниченности было проведение испытаний только на растяжение цилиндрических кристаллов цинка различных кри-
1 Е. J. Stofel, D. S. Wood.
сталлографических ориентаций. Вместе с тем, растягивающее напряжение, приведенное к направлению нормали к плоскости Оазиса, и касательное напряжение, действующее по этой плоско-
СТИ, непосредственно связаны друг с другом при любой ориента ции кристалла.
Данное исследование проведено с целью определения зави симости разрушения цинка сколом по плоскости базиса от рас сеивающего напряжения, нормального к плоскости базиса» причем — в более общем случае, чем при испытаниях на простое растяжение. Испытания были проведены на монокристаллах цин ка с применением метода, позволяющего независимо изменять напряжения — нормальное к плоскости базиса и касательное» Действующее по этой плоскости.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы цинка в форме шаров диаметром ~ 5 0 мм выра щивали в вакууме по методу Бриджмена в тигле из стекла пиРекс, покрытого графитом. Исходный цинк имел чистоту 99,999%. Основные примеси: Fe (0,0003%) и РЬ (0,0002%). Границы на клона базиса в кристаллах, если угол разориентации превышал 0,02°, наблюдали методом отражения сфокусированного свето вого пучка от поверхностей скола кристалла, создаваемых по Концам гексагональной кристаллографической оси кристалла до Начала его обработки. Были испытаны два кристалла, у каждого Из которых была одна граница наклона с разориентацией 0,7° Около половины кристаллов не имело границ наклона с углом Разориентации свыше 0,02° У остальных было по одной-две границы с промежуточными углами.
Образцы для испытаний имели форму песочных часов и были Изготовлены из кристаллов сферической формы с использованием Метода травления. Чтобы геометрическая ось образцов была ориентирована параллельно гексагональной кристаллографиче ской оси, за исходную базу при обработке принимали плоскость
скола.
Образцы в сборе с головками для захватов с каждого конца Показаны на рис. 1. Форма образцов в виде песочных часов обес печивала развитие максимальных напряжений в середине рабо чей части образца и позволяла избежать искажающего влияния припаянных к каждому концу монокристаллов из сплава с 0,25% Си. Коэффициент теплового расширения этих монокристал лов был почти таким же, как и у цинка высокой чистоты. По этому колебания температуры при пайке или в процессе испыта ний при различных температурах не вносили в образец никаких Добавочных напряжений или деформаций. Далее, к каждому кристаллу из сплава Zn с 0,25% Си был припаян стальной захват с резьбой. Все пять частей «образца», включая кристалл цинка»
головки и стальные захваты во время пайки, для обеспечения рпределенного их расположения зажимали в специальное приспо собление. Гексагональная кристаллографическая Ось каждого образца была параллельна геометрической оси образца в сборе в пределах !/з° Рабочая часть была концентрична с поверхностя ми стальных цилиндров-захватов в пределах 0,05 мм.
Испытания образцов про-
тами в сборе (диаметр D различен у разных образ цов! Dmax — 21,0 ММ\ D mm = 10,5 мм) :
1 — места спайки; 2 — стальной цилиндр; 3 — кри сталл из сплава цинка; 4 — кристалл из чистого цинка
Рис. 2. Образец и устройство для испы тания:
— кольцо из жесткой резины; 2 — червяч ное колесо; 3 — червяк; 4 — подвижная го ловка машины Инстрон; 5, 6 — направляющие; 7 — шарикоподшипники; 8 — динамометр; 9 — концентричная труба; 10 — испытуемый обра
зец; 11 — фиксатор; 12 — болт
устройство укрепляли снизу подвижной головки машины. Упор ные шариковые подшипники и червячную передачу монтировали в испытательном устройстве, чтобы можно было закручивать об разец вокруг оси. Растягивающую нагрузку прилагали к образцу при помощи динамометра и через удлиняющий стержень, кото рый проходил вверх через подвижную головку и был прикреплен к верхней неподвижной головке испытательной машины.
320
Динамометр был изготовлен из закаленной легированной стали и имел длинные тонкие пластинки, расположенные взаим но перпендикулярно одна над другой по оси динамометра; такая конструкция обеспечивала очень малую жесткость динамометра на изгиб, благодаря чему даже при некоторой разориентации Различных частей всего устройства на образец не передавался значительный изгибающий момент. На верхней пластинке дина мометра были смонтированы два четырехплечих моста из про волочных датчиков сопротивления. Один из мостов воспринимал только растягивающую нагрузку, а другой — только скручи вающую. Оба мостика имели температурную компенсацию и не реагировали на изгиб динамометра.
Деформацию, параллельную оси образца, измеряли при по мощи пар проволочных датчиков сопротивления, прикрепленных к поверхности образца в месте минимального его сечения, при этом проволочные нити датчика были параллельны оси образца. Чувствительность датчика по деформации составляла 10-5. Ка сательную деформацию минимального сечения образца при кру чении определяли тремя различными методами. При первом ме тоде использовали пару проволочных датчиков, монтируя их та^ким образом, что проволочные нити их были под углом 45° к оси образца; этот метод обеспечивал чувствительность по де формации 10-5. Второй метод заключался в измерении при помо щи транспортира угла поворота первоначально прямых каран дашных линий, нанесенных на поверхность образца вдоль оси. Чувствительность этого метода составляла 2- 10-2. По третьему Методу при помощи лимба отсчитывали угол поворота закручи вающей червячной головки нагружающего устройства. Закручи вание, измеренное последним методом, корректировали на упру гую деформацию кручения динамометра и других частей устрой ства и проводили сравнение с результатами измерений, полученных двумя другими методами. Такая корреляция также позволяла находить эффективную длину деформирующейся части образца, так что поверхностную сдвиговую деформацию можно было определить непосредственно по углу относительного пово рота концов образца. Последний метод измерения деформации оказался пригоден в пределах деформации до 10~3. В большинст ве опытов для измерения сдвига на поверхности образца были использованы вторые два метода, так как было установлено, что проволочные датчики несколько тормозят скольжение по плос кости базиса в местах их наклейки и могут вызывать преждевре менное разрушение сколом в случае совместного действия растя жения и кручения, как это будет показано ниже.
Экспериментальные данные позволили построить кривые за висимости приложенного крутящего момента Т от деформации сдвигом у по плоскости базиса на поверхности образца в мини мальном сечении. Эти кривые затем были перестроены в кривые
зависимости касательного напряжения т по плоскости базиса (на поверхности образца в минимальном сечении) от деформа ции сдвига у, по формуле Хилла [б], а именно:
т = |
а ) |
где г — радиус образца в минимальном сечении. |
типов. |
Были проведены механические испытания четырех |
Испытания первого типа заключались <в деформировании кри сталла лишь скольжением по плоскости базиса путем приложе ния только крутящего момента относительно гексагональной кри сталлографической оси, без растягивающих напряжений, нор мальных к плоскости базиса. Вторая серия испытаний была произведена при приложении только нормального к плоскости базиса растягивающего усилия, скольжение по плоскости базиса при этом отсутствовало. Испытания третьей серии заключались в том, что в начале прилагалось растягивающее напряжение, нормальное к плоскости базиса, а затем кручением сообщалось касательное напряжение по плоскости базиса. Четвертая серия испытаний состояла в том, что первоначально создавалась сдви говая пластическая деформация по плоскости базиса, а затем прикладывалось растягивающее напряжение, нормальное к плос кости базиса.
Скорость деформации на том этапе испытаний, когда произ
водилось растяжение, составляла |
3 - 10-4 минг 1. Испытания на |
кручение проводили с постоянной |
скоростью изменения момента, |
так как трудно обеспечить постоянную скорость изменения на пряжения или постоянство скорости деформации во время упру гой и во время пластической деформации при испытании. Ско рость изменения момента составляла ~ 0,064 нм/мин, что соот ветствовало скорости изменения касательного напряжения 13,7 Мн/м2-мин по поскости базиса на поверхности образца при упругой деформации 13,7 Мн/м2-мин (1,4 кГ/см2-мин).
Большинство испытаний проводили при 25° С, хотя несколько испытаний на растяжение было выполнено при —78° С. При низ котемпературных испытаниях образец и нижнюю часть испыта тельного устройства погружали в смесь сухого льда и раствори теля, используемого для очистки. Были приняты меры для очень медленного охлаждения образца, чтобы тепловые напряжения в процессе охлаждения не вызывали скольжения по плоскости базиса.
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ
Все испытанные образцы до разрушения претерпевали пла стическую деформацию. Природа этой деформации зависела от конкретных условий испытаний. Подробные описания и анализ этой деформации будут даны в отдельной статье. Однако неко-
3 2 2 ‘.
торые особенности пластической деформации, оказывающие влияние на характеристики разрушения, обобщаются здесь.
Пластическая деформация происходит скольжением по двум системам различного типа. Скольжение первого типа — обычное Для цинка скольжение по плоскости базиса, вызываемое круче нием кристалла вокруг гексагональной кристаллографической оси, второго — скольжение, плоскость и направление которого не совпадают с плоскостью базиса. Скольжение этого типа, вероят
но, происходит по плоскостям {2112} в направлениях < 2 П З > . Оно вызывается растяжением в направлении нормали к плоско сти базиса и приводит к появлению удлинения кристалла в на правлении гексагональной кристаллографической оси.
Для того чтобы вызвать при 25° С скольжение в недеформированном кристалле по плоскости базиса требуется приведенное касательное напряжение порядка 0,137 Мн/м2 (0,014 кГ/мм2). Скорость деформационного упрочнения при таком скольжении незначительна до деформаций сдвига ~150% , после чего упроч нение возрастает сравнительно быстро, аналогично второй ста дии упрочнения кристаллов с г. ц. к. решеткой. Указанное пове дение кристаллов цинка полностью согласуется с результатами, наблюдавшимися рядом других исследователей {7— 12].
Это означает, что механизм скольжения по плоскости базиса, вызываемого кручением кристалла вокруг гексагональной кри сталлографической оси, аналогичен механизму скольжения, вы зываемого приложением касательного напряжения, действующе го лишыв одном направлении по плоскости базиса.
Растягивающее напряжение порядка 2,74 Мн/м2 (0,28 кГ/мм2) , нормальное к плоскости базиса, обусловливает при 25° С изме римую пластическую деформацию (Ю-5), параллельную гекса гональной кристаллографической оси. Такое растягивающее напряжение соответствует касательному напряжению порядка
1,37 Мн/м2 (0,14 кГ/мм2), приведенному к направлениям (2ПЗ)
в плоскостях {2112}. Скорость деформационного упрочнения во время этой пластической деформации по оси с весьма велика, так как скольжение происходит одновременно не менее, чем по шести пересекающимся системам. Кривые деформации по оси с обладают аномальной температурной зависимостью. Напряже ние, вызывающее заданную пластическую деформацию, при —78° С меньше, чем при +25° С. Эти результаты показаны на рис. 3, где приведены типичные кривые деформации кристалла цинка, когда нагрузка была параллельна гексагональной кри сталлографической оси. На этом рисунке также даны результаты испытаний, полученные при сжатии кристаллов параллельно гексагональной оси при 20° С. Кристаллы, подвергнутые сжатию, пластически деформируются без двойникования до деформации
— 0,16% [напряжение 17,1 Мн[мм2 (1,75 кГ/мм2)}; в этой точке
21* |
323 |
испытания на сжатие были прерваны. Кривая деформации при сжатии в исследованной области совпадает с кривой деформа ции растяжения в пределах колебания свойств между различ ными кристаллами. Это показывает, что пластическая деформа ция по оси с представляет результат процесса нормального кри сталлографического скольжения, т. е. одинакова для скольжения в любом направлении.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
6,86(0,7) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
48,02(4,9) |
|
|
|
|
|
|
|
§ 6 ,1 6 (0 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
| |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
- |
% |
5,48(0,56) |
|
|
|
|
|
|
|
||
41.16(4,2} |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
/ |
|
|
|
|
Ч 4,80(0,49) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
^ |
34,30(3,5) |
|
|
1 |
|
|
|
|
| |
4,11(0,42) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 |
/ з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* 27,44(2,8) Л1л |
|
|
|
I |
3,43(0,35) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
гГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
2,74(0,28) |
|
|
|
|
|
|
|
||
:з |
|
|
|
|
|
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
20,58(2,1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
12у./ |
|
|
|
§ 2,0 5 (0 М |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
§ - 13,72(1,4) |
|
|
|
|
|
|
|
| |
1,37(0,14) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
а |
6,86(0,7) |
|
\ |
/ |
|
|
|
|
| |
0,68(0,07) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
35 |
V |
|
|
|
|
Ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W 20 30 40 50 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
02 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
|
|
|
Деформация сдвигаг% |
|||||||
|
|
|
|
|
|
Деформация, % |
|
Рис. 4. Кривые зависимости касатель |
|||||||||||||
Рис. 3. Типичные кривые зависимости |
ного напряжения от сдвиговой де |
||||||||||||||||||||
напряжения |
|
|
от |
деформации |
(одно |
формации |
по плоскости |
базиса |
для |
||||||||||||
осное |
напряженное состояние) |
для |
монокристаллов цинка при различных |
||||||||||||||||||
монокристаллов |
цинка, |
нагружаемых |
значениях |
предварительного |
растяги |
||||||||||||||||
параллельно |
|
гексагональной |
кристал |
вающего напряжения, |
приложенного |
||||||||||||||||
|
|
|
лографической |
оси: |
|
|
нормально |
к |
плоскости |
базиса, |
|||||||||||
/ — упругая деформация; 2 — сжатие при |
I - |
при |
+25° С. |
от, |
Мн/м2 (кг/мм2): |
||||||||||||||||
26е С |
(образец |
не разрушился); 3 — рас |
0 |
(0); |
2 — |
0,98 |
(1); |
3 |
— |
13,8 |
(1,41); |
||||||||||
тяжение |
при |
|
25° С |
(образец не |
разцу- |
4 — 21,2 (2,21); 5 — 27,8 (2,84); 6 — 28,5 (2,9); |
|||||||||||||||
шился); |
4 — |
растяжение |
при |
—78° С |
|
7 - |
28,8 (2,87); |
8 |
- |
28,8 |
(2,87); |
||||||||||
|
|
|
(образец не разрушился) |
|
|
|
|
5 — 34,5 |
(3,53) |
|
|
|
|||||||||
|
Предварительная пластическая деформация |
в |
|
направлении, |
|||||||||||||||||
параллельном гексагональной оси кристалла, очень эффективно повышает величину критического касательного напряжения, не обходимого впоследствии для скольжения по плоскости базиса. Это видно из рис. 4, на котором приведены кривые зависимости касательного напряжения при кручении кристалла от сдвиговой деформации по плоскости базиса для различных значений пред варительно приложенного напряжения, нормального к плоскости базиса. Например, предварительная деформация растяжения по оси с, вызванная напряжением растяжения величиной ~34,3 Мн/м2 (3,5 кГ/мм2) и равная ~0,5% , повышает критиче ское касательное напряжение скольжения по плоскости базиса 324
Как показано на рис. 7, предварительное скольжение по плос кости базиса повышает сопротивление кристалла последующей пластической деформации, параллельной гексагональной кри сталлографической оси. Например, при комнатной температуре
предварительная сдвиговая |
деформация |
по плоскости базиса, |
||||||||||||
равная 50% |
(на поверхности кристалла), повышает предел теку |
|||||||||||||
чести при испытании на |
растяжение от 2,74 до 34,3 Мн/м2 |
(от |
||||||||||||
|
|
|
|
|
0,28 до 3,5 кГ/мм2) . |
развитием |
||||||||
|
|
|
|
|
Наблюдения |
за |
||||||||
|
|
|
|
|
пластической |
|
деформации |
в |
||||||
|
|
|
|
|
кристаллах цинка показывают, |
|||||||||
|
|
|
|
|
что |
разнообразие |
и |
интенсив |
||||||
|
|
|
|
|
ность |
дислокационных |
меха |
|||||||
|
|
|
|
|
низмов, обусловливающих раз |
|||||||||
|
|
|
|
|
рушение |
сколом по плоскости |
||||||||
|
|
|
|
|
базиса, |
|
значительно |
больше, |
||||||
|
|
|
|
|
чем это считалось |
в |
предыду |
|||||||
|
|
|
|
|
щих теориях. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Все случаи разрушения, на |
|||||||||
|
|
|
|
|
блюдавшиеся в |
рассматривае |
||||||||
|
|
|
|
|
мых |
экспериментах, |
связаны |
|||||||
|
|
|
|
|
со |
сколом по плоскости |
бази |
|||||||
|
|
|
|
|
са. При 25° С разрушение, |
вы |
||||||||
|
|
|
|
|
зываемое |
растягивающим |
на |
|||||||
|
|
|
|
|
пряжением, |
приложенным |
по |
|||||||
Рис. 7. Кривые зависимости между |
нормали к плоскости базиса, в |
|||||||||||||
растягивающим напряжением |
и |
де |
отсутствие |
касательного |
|
на |
||||||||
формацией, |
параллельной |
гексаго |
пряжения по плоскости базиса |
|||||||||||
нальной |
кристаллографической |
оси, |
||||||||||||
для кристалла цинка после предвари |
всегда |
происходит на расстоя |
||||||||||||
тельного |
сдвига по плоскости базиса |
нии нескольких десятков мик |
||||||||||||
при +25° С. Предварительная |
дефор |
рон от одной |
из |
припаянных |
||||||||||
мация сдвига по плоскости базиса, %, |
головок образца, |
но не по ми |
||||||||||||
указана цифрами у кривых |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
нимальному |
сечению. |
Место |
|||||||
|
|
|
|
|
пайки неоднородно по структу |
|||||||||
ре и содержит пустоты и включения |
флюса, |
используемого при |
||||||||||||
пайке. Это бесспорно вызывает концентрацию напряжений, ко торую надо учитывать при анализе появления разрушения в об ластях, где номинальные напряжения сравнительно низкие, и при рассмотрении рассеяния результатов. Тем не менее, полученные данные показывают, что растягивающее напряжение, необходи мое для разрушения по минимальному сечению образца, при 25°С должно превышать 425,3 Мн/м2 (43,4 кГ/мм2).
При испытаниях на чистое растяжение при —78° С образец всегда разрушается по минимальному сечению, при напряжениях в пределах 14,0—17,1 Мн/м2 (1,54— 1,75 кГ/мм2). На рис. 8 при ведены фотографии в темном поле одной из поверхностей разру шения сколом. Картины «ручьев» свидетельствуют о том, что
326
