книги / Разрушение твердых тел

чиками деформации. В этом кристалле была достигнута сдвиго­ вая деформация величиной 32%, не вызвавшая разрушения кристалла.

Картины «ручьев» на поверхности излома этих кристаллов показывают, что разрушение начинается с поверхности образца под наклеенными датчиками. На рис. 9 приведена фотография в темном поле одной из таких поверхностей излома. В верхней части фотографии виден датчик деформации. Приведенные выше значения сдвиговой деформации по плоскости базиса были опре­ делены по угловому смещению линии, нанесенной карандашом на той части поверхности образца, где не было проволочных дат­ чиков. Деформация сдвига по плоскости базиса (при разруше­ нии) непосредственно под датчиками, а следовательно, и дефор­ мация в источнике разрушения, оказалась равной примерно лишь 7з величины деформации в областях образца, свободных от дат­ чиков. Точные значения сдвиговой деформации по плоскости базиса в области источников разрушения не были получены, так как датчики неприменимы в случае деформации выше 1%.

Кристаллы, испытанные при 25° С без наклеенных на их по­ верхность датчиков деформации, в условиях действия растяже­ ния и кручения не разрушались по минимальному сечению образ­ ца. При отсутствии растягивающих напряжений разрушения кристалла не наблюдалось даже при закручивании до значения сдвиговой деформации по плоскости базиса, равного 350%, и на­ пряжении по этой же плоскости порядка 6,86 Мн/м2 (0,7 кГ/мм2). Другой кристалл (без датчиков деформации) сначала был рас­ тянут под напряжением 28,7 Мн/м2 (2,94 кГ/мм2), затем без сня­ тия этого напряжения закручен до тех пор, пока растягивающее напряжение не вызвало сдвиговой деформации по плоскости базиса около 32%. Разрушения при этом не произошло. После этого растягивающее напряжение было повышено, а напряже­ ние кручения оставлено на уровне 5,4 Мн/м2 (0,56 кГ/мм2). Раз­ рушение произошло у одного из мест пайки, когда напряжение по минимальному сечению было 49,3 Мн/м2 (5,04 кГ/мм2) ; этот кристалл показан на рис. 6. Максимальная локальная сдвиго­ вая деформация в некоторых грубых полосах скольжения, воз­ никшая в результате деформации кручением, составляла в этом кристалле около 200%. Кристалл содержал три границы наклона с разориентацией 0,02°

Аналогичные результаты были получены при 25° С на кри­ сталлах, первоначально подвергавшихся закручиванию (без на­

клеенных датчиков), а затем растяжению до разрушения (с дат­ чиками и без датчиков). Например, один кристалл предвари­ тельно закручивался до тех пор, пока деформация сдвига па плоскости базиса не достигла 50%. Затем момент был снят, на кристалл были наклеены проволочные датчики и приложено рас-

328

Гилмен ,[3] разработал количественный критерий разрушения, основанный на механизме нагромождения дислокаций (см. рис. 10):

о— растягивающее напряжение, нормальное к этой плос­ кости;

D — длина ряда дислокаций;

N — постоянная, зависящая от физических свойств кристал­ ла.

Результаты настоящего исследования свидетельствуют о не­ обходимости видоизменения этого критерия в связи с тем, что ка­ сательное напряжение т, требующееся для скольжения дислока­ ций по плоскости базиса, сильно зависит от растягивающего напряжения а.

Действительно, в первом приближении разрушение происхо­ дит в местах блокирования дислокаций, скользящих по плоско­ сти базиса, как только касательное напряжение, действующее по этой плоскости, достигает значения, необходимого для начала скольжения по плоскости базиса при действии приложенного растягивающего напряжения. Тогда критерий разрушения ско­ лом может быть выражен как соотношение между растягиваю­ щим напряжением а, величиной скольжения по плоскости базиса и свойствами препятствий. Данные экспериментального исследо­ вания недостаточны для получения такого критерия, так как остались неизвестными распределение и величина скольжения в области препятствий (датчики деформации).

Другой дислокационный механизм разрушения сколом цинка, предложенный Стро [5], иллюстрируется рис. 11. Этот механизм исходит из факта существования больших растягивающих на­ пряжений у конца дислокационных границ наклона, оканчиваю­ щихся в кристалле [11]. Согласно механизму Стро, полные гра­ ницы наклона превращаются в пару таких границ, оканчиваю­ щихся внутри кристалла, в результате скольжения по плоскости 'базиса, которое вызывает относительное смещение частей гра­ ниц. Формула Стро, выражающая критерий разрушения на ос­ нове этого механизма, имеет следующий вид:

где т — приведенное приложенное касательное напряжение; тс — критическое приведенное касательное напряжение;

о— напряжение растяжения, действующее на плоскость скола;

L — длина ограниченной границы наклона; k — постоянная.

(с + а), где с и а — два вектора базиса кристалла с гексаго­ нальной структурой. Это — наименьшие полные векторы Бюргерса, которые могут быть связаны с небазисным скольжением,, наблюдавшимся в настоящих экспериментах. Кроме того, Прайс обнаружил, что эти дислокации обычно движутся в плоскостях

{2112}, хотя иногда и переходят путем поперечного скольжения на другие кристаллографические плоскости, содержащие тот же вектор Бюргерса. Прайс также наблюдал, что эти дислокации оставляют на своем пути большое число диполей краевых дисло­

каций.

Результаты наблюдений небазисного скольжения в цинке дают основание предполагать дислокационный механизм для за­ рождения разрушения сколом по плоскости базиса, как это по­

щую, движутся в гексагональном кристалле по пересекающимся

плоскостям {2112} под действием растягивающего напряжения о, параллельного гексагональной кристаллографической оси. При взаимном пересечении две дислокации образуют «хвост» внедренных атомов [13]. На каждую атомную длину этого «хво­

ста» должно приходиться 8/ У з внедренных атомов, а для этоп> к кристаллу необходимо подвести большую энергию. Меньшая энергия требуется в том случае [14], когда движущиеся дислока­ ции деформируются таким образом, что образуют пару диполей краевых дислокаций (рис. 12). Если за первой парой дислокаций следуют дополнительные пары, они деформируются аналогич­ ным образом и в результате образуются диполи краевых дисло­ каций повышенной мощности (многократные диполи). Когда величина приведенного касательного напряжения, действующего на дислокацию, и увеличение диполей достигают некоторой кри­ тической интенсивности, то диполи могут стягиваться и образо­ вывать линию внедренного материала. Эти линии могут действо­ вать как иглы, внедренные по плоскости базиса, и приводить к зарождению трещин скола. Это иллюстрируется рис. 13, на котором показано поперечное сечение многократного дислокаци­ онного диполя. Такой механизм наиболее эффективен, если дис­ локационный диполь находится близко к свободной поверхности кристалла и параллелен ей. Тогда в случае зарождения трещины один ее конец должен достигать свободной поверхности кристал­ ла. Это увеличивает эффективную длину трещины в соответст­ вии с критерием разрушения Гриффитса примерно в два раза. В результате нестабильная трещй'йа скола образуется при более низких растягивающих напряжениях в том случае, если этот ме­ ханизм действует вблизи свободной поверхности кристалла, а не в его глубине. Это вполне согласуется с данными наблюдений, показывающими, что разрушение при низкотемпературных испы-

332

таниях зарождается на свободной поверхности или весьма близ­ ко к ней. В частности, это видно из рис. 8: фигуры «ручьев» на поверхности скола совершенно четко показывают, что зарожде­ ние разрушения сколом начинается на поверхности кристалла (верх фотографии).

Механизм зарождения разрушения за счет диполей дислока­ ций не действует при температурах, достаточно высоких для ак­ тивной самодиффузии; для цинка такой температурой является уже комнатная. Диффузия вакансий к диполям или внедренных ■ атомов от них приводит к разрушению диполей. Следовательно»

6

6

6

Перегруппировка избыточных атомов в области диполей прев­ ращает эти диполи в ряды дислокационных петель, лежащих в Плоскости базиса, что и наблюдал Прайс [12]. Эти петли, в свою очередь, аннигилируют в результате диффузии. В любом случае в результате процесса самодиффузии происходит перераспреде­ ление избыточного материала, связанного с диполями краевых Дислокаций, и потому диполи не могут служить достаточно эф­ фективными концентраторами энергии деформации, приводящей К зарождению разрушения. Это соответствует экспериментально Найденному значительному снижению сопротивления разруше­ нию сколом цинка при 0,27 Гпл (—78° С) по сравнению с 0,42 Гпл ( + 25°С).

Количественная теория, основанная на изложенных предпо­ ложениях о зарождении трещин в цинке, еще не разработана. В развитие этой теории зарождения трещин необходима разра-

ззз

направления. Чем выше эта тенденция, тем более совершенной получается поверхность скола. Поскольку кристаллы имеют широкий диапазон скалываемости, изменяющийся от совершен­ ной до нечеткой, окончательное их поведение должно зависеть, по крайней мере, от двух противоречивых тенденций. По-види- мому, основными тенденциями являются, с одной стороны, «жесткость», трещины, а с другой,— возвращающая сила, воз­ никающая из-за анизотропии поверхностной энергии.

Предположим, что первоначально трещина развивается по плоскости с относительно высо­ кой энергией, т. е. что в поликристалле трещина, движущаяся параллельно плоскости скола в данном зерне, по достижении его границы резко изменяет ориентацию. Упругая жесткость верши­ ны трещины стремится удержать движущуюся трещину в плоскости ее распространения, а мо­ мент, возникающий из-за анизотропии поверх­ ностной энергии,— поворачивать трещину до тех пор, пока она не начнет двигаться параллельно плоскости с минимальной поверхностной энерги­ ей. Если доминирует этот последний фактор, то поведение кристалла приближается к совершен­ ному сколу.

щины эллиптической формы, соответствующей известному полю энергии деформации, создаваемому трещиной, дислокации долж­ ны быть расположены на расстояниях, пропорциональных квад­

длины трещины, b — смещение на одну дислокацию, Е — модуль Юнга).

Повернем вершину трещины в соответствии со смещением лидирующей дислокации из плоскости трещины. Эта лидирую­ щая дислокация (имеющая индекс 0) удерживается в плоскости трещины полями напряжений всех других дислокаций и возвра­ щающая сила будет препятствовать ее смещению.

Пусть 0 — угловое смещение лидирующей дислокации (т. е. угол между плоскостью трещины и линией, соединяющей дисло­ кации, имеющие индексы 0 и 1). Возвращающая сила, действую-