Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Дислокационные представления в физике разрушения кристаллических тел 19
1.1. Механизмы зарождения микротрещин при пластической деформации скольжением 19
1.1.1. Механизм заторможенного сдвига 19
1.1.2. Зарождение трещин на пересекающихся скоплениях дислокаций 22
1.1.3. Зарождение трещин на дислокационных стенках 25
1.1.4. Механизм Гилмана-Рожанского 28
1.1.5. Микротрещины на встречных скоплениях 29
1.2. Термоактивированное зарождение 31
1.3. Двойникование и хрупкое разрушение материалов 33
1.3.1. Влияние двойников и состояния их границ на зарождение и рост трещин 34
1.3.2. Зарождение микротрещин при пересечении двойников и их взаимодействии с другими препятствиями 38
1.3.3. Взаимодействие двойникования и скольжения 43
1.3.4. Каналы Розе первого (КР1) и второго (КР2) родов 44
1.3.5. "Упругие" каналы Розе (УКР) 46
1.4. Пластические аспекты разрушения 47
1.5. Возможности торможения разрушения 48
1.6. Восстановление сплошности твердых тел 50
1.6.1. Высокотемпературное залечивание кристаллов 50
1.6.2. Диффузионно-дислокационные механизмы залечивания 52
1.6.3. Качество залечивания трещин и методы его повышения 53
1.7. Вторичные электрические процессы при механическом воздействии на твердые тела 56
1.7.1. Эффект Степанова 56
1.7.2. Механоэмиссия электронов 59
1.7.2.1. Экзоэлектронная эмиссия 59
1.7.2.2. Эмиссия высокоэнергетических электронов 63
1.7.3. Люминесценция при пластической деформации и разрушении кристаллов 65
1.7.3.1. Люминесценция при разрушении 66
1.7.3.2. Деформационная люминесценция 67
1.7.4. Электризация кристаллов при раскалывании 70
1.8. Выводы и постановка задачи исследования 77
ГЛАВА 2 . "Упругие" каналы розе 81
2.1. Зарождение "упругих" каналов Розе первого рода 81
2.2. Кинетика образования и исчезновения УКР 86
2.3. Зарождение трещин на границе двойника в кальците 90
2.4. Зарождение трещин в вершине упругого двойника в кальците 98
2.5. Аналитическая оценка термоактивированного зарождения ф трещины в вершине упругого двойника 103
2.6. Зарождение трещин на границе свободного упругого двойника при повышенных температурах 111
2.7. Механизм зарождения УКР в кальците 118
2.8. Механизм залечивания УКР в кальците 119
2.8.1. Закономерности выхода сквозных упругих двойников из кристалла 122
2.8.2. Механизм захлопывания УКР 123
2.9. Выводы 126
ГЛАВА 3. Взаимодействие двойников в металлах с гексагональной плотноупакованной (гпу) решеткой и зарождение трещин 128
3.1. Разрушение ГПУметаллов при двойниковании 128
3.2. Структурные и морфологические особенности пересечения двойников в монокристаллах цинка и кадмия 130
3.3. Определение кристаллографических индексов вторичного двойникования и скольжения в зонах пересечения двойников 133
3.4. Анализ процессов микропластичности, обусловленной пересечением двойников в цинке 137
3.5. Анализ дислокационных взаимодействий в монокристаллах кадмия при пересечении двойников 141
3.6. Дислокационный механизм образования КР2 в цинке 145
3.6.1. Экспериментальное исследование 145
3.6.2. Анализ дислокационного взаимодействия 147
3.7. Аналитическая оценка базисно-пирамидального взаимодействия дислокаций 152
3.8. Выводы 161
ГЛАВА 4. Механическое двойникование и зарождение трещин в ОЦК-сплаве Fe + 3,25% Si 163
4.1. Роль двойников в образовании разрушающих трещин в области температур квазихрупкости 163
4.2. Влияние двойников на зарождение трещин в сплаве Fe+3,25% Si в области температур 223-273 К 171
4.2.1. Стопорение винтовых ламелей на краевых 173
4.2.2. Торможение краевых двойников на винтовых 177
4.3. Роль двойников в образовании трещин при вязком разрушении (7>273 К) 179
4.4. Влияние двойников на механизм и кинетику динамических трещин в сплаве Fe+3,25% Si 180
4.4.1. Влияние предшествующих двойников на кинетику и механизм развития динамических трещин 181
4.4.3. Образование двойников быстрой трещиной и их влия ние на механизм и кинетику разрушения 191
4.5. Двойникование и разрушение поликристаллического ОЦК
сплава Fe+3,25% Si 203
4.5.1. Количественные характеристики сопутствующего двойникования сплава Fe+3,25% Si 204
5 4.5.2. Механизмы образования трещин, обусловленные двойникованием 213
4.6. Исследование поцессов микропластичности и разрушения при пересечении двойников в кристаллах с ОЦК решеткой 214
4.6.1. Определение вариантов пересечения двойников 214
4.6.2. Определение активных плоскостей скольжения и двой-никованияв сдвойникованном материале 217
4.6.3. Анализ процессов микропластичности в участках пересечения двойниковых прослоек 221
4.6.3.1. Взаимодействие двойникующих дислокаций 221
4.6.3.2. Взаимодействие полных скользящих дислокаций 223
4.6.3.3. Взаимодействие полных скользящих дислокаций с двойникующими 225
4.6.4. Оценка величины зоны рекомбинации при взаимодействии дислокаций 228
4.7. Дислокационные механизмы зарождения трещин в вершинах и на границах двойников в кристаллах с кубической решеткой 235
4.7.1. Дислокационные модели двойника и двойниковых границ 236
4.7.2. Расчет критических параметров зарождения трещины для двойника с симметричным расположением дислокаций в границах 239
4.7.3. Влияние структуры границ двойника на зарождение трещин в его вершине 245
4.8. Выводы 250
ГЛАВА 5. Залечивание трещин скола в ионных кристаллах 254
5.1. Самопроизвольное залечивание трещин 254
5.1.1. Морфология разрушения при выходе трещины на боковую грань кристалла 255
5.1.2. Дислокационная структура залечившихся трещин 260
5.1.3. Методы оценки качества залечивания трещин 265
5.1.4. Механизм самопроизвольного залечивания трещин 268
5.1.5. Кинетика роста и спонтанного залечивания трещин при несимметричном сколе 269
5.2. Математическое моделирование пластического течения в вершине трещины 277
5.2.1. Математическая модель пластического течения 278
5.2.2. Результаты численного анализа 284
5.3. Залечивание микро- и макротрещин при локальном воздействии 290
5.4. Активация процесса залечивания трещин 297
5.5. Выводы 306
ГЛАВА 6. Вторичные электрические процессы при разрушении неметаллических кристаллов 308;
6.1. Электризация и эмиссионные процессы при быстром сколе щелочно-галоидных кристаллов 308
6.1.1. Методика эксперимента 309
6.1.2. Измерение плотности электрических зарядов на берегах трещины 312;
6.1.3. Параллельная регистрация разрушения и свечения при сколе 318
6.1.4. Эмиссия электронов при разрушении кристаллов 320
6.2. Заряжение берегов трещины и работа разрушения щелочно-галоидных кристаллов 325
6.2.1. Методика определения эффективной поверхностной энергии 327
6.2.2. Результаты экспериментов и их обсуждение 329
6.3. Электрические поля скоплений заряженных дислокаций 335
6.3.1. Модельные представления и метод расчета 337
6.3.2. Электрическое поле заторможенного скопления 340
6.3.3. Скопление, заблокированное с обеих сторон 346
6.3.4. Скопление в линейно меняющемся поле напряжений 349
7 6.3.5. Нестационарные электрические эффекты, связанные с движением дислокационных скоплений 350
6.3.5.1. Разбегание дислокационного скопления 351
6.3.5.2. Прорыв через барьер скопления, создаваемого источником дислокаций 356
6.4. Влияние электрического заряда дислокаций на зарождение трещин в неметаллических кристаллах 359
6.4.1. Модель Зинера-Стро 360
6.4.2. Пересекающиеся скопления заряженных дислокаций 367
6.4.3. Соотношение электрической и механической прочностей кристаллов 376
6.5. Некоторые направления практического использования механоэлектрических явлений в неметаллических кристаллах 377
6.6. Выводы 379
Выводы 382
Литература 389
- Двойникование и хрупкое разрушение материалов
- Электризация кристаллов при раскалывании
- Определение кристаллографических индексов вторичного двойникования и скольжения в зонах пересечения двойников
- Влияние двойников на механизм и кинетику динамических трещин в сплаве Fe+3,25% Si
Введение к работе
Разрушение твердых тел представляет собой сложный многостадийный и разномасштабный кинетический процесс [1-5]. Его обязательными составными элементами являются образование и подрастание зародышевых микротрещин, формирование макротрещин и переход их в неустойчивое состояние. При этом каждая стадия процесса контролируется своим или своими мех-низмами и протекает в результате взаимодействия структурных обьектов, имеющих различный масштабный уровень от атомного и дислокационного до мезоскопического и субструктурного. Устойчивость образующихся микротрещин и их случайное распределение по объему образца делают процесс разрушения статистическим. На статистический разброс структурных характеристик накладываются и статистические закономерности тепловых флуктуации, обеспечивающих преодоление потенциальных барьеров при перестройках атомного масштаба.
Одним из центральных вопросов физики разрушения явлется взамо-действие пластической деформации и разрушения. Пластическая деформация представляет собой первую ответную реакцию кристалла на внешнее механическое воздействие и в подавляющем большинстве случаев ее протекание связано с движением и размножением дислокаций [6-8]. Исключение составляют материалы с большой обратимой деформацией вследствие фазовых переходов (эффект памяти формы) [9], некоторые виды очень большой деформации, когда для ее описания вместо трансляционных мод вводятся поворотные (дисклинации) [10], деформация при высоких температурах, обеспечиваемая диффузионными потоками точечных дефектов [11], и некоторые другие специальные случаи. В результате движения и взаимодействия дислокаций при различного рода внешних воздействиях на кристалл образуются сложные дислокационные ансамбли. Их влияние на механические свойства кристалла будет существенно различным в зависимости от векторов Бюргер-са, плотности и распределения дислокаций в ансамблях.
Модели дислокационных скоплений успешно применяются для анализа деформационного упрочнения кристаллов (теория Зинера) [12], объяснения зависимости предела текучести поликристаллов от размера зерна (соотношение Холла-Петча) [6], построения дислокационной теории двойникова-ния [8, 13] и разрушения кристаллов [1, 6, 7, 14] и т.д.
Современные представления о зарождении трещин в кристаллах основываются на концепции А.В. Степанова о взаимосвязи процессов разрушения и пластической деформации [15]. Последняя рассматривает пластическую деформацию как необходимый подготовительный этап разрушения кристаллических твердых тел. К настоящему времени предложено большое количество дислокационных механизмов разрушения [1, 14, 16-19], связывающих зарождение и начальную стадию подрастания трещин с взаимодействием одноименных дислокаций в заторможенных перед препятствиями дислокационных скоплениях. Барьерами для движения головной дислокации скопления могут являться включение, дислокации других систем скольжения, границы зерен и т.д. Считается, что микротрещина образуется в результате слияния головных дислокаций скопления, когда они сближаются до некоторого критического расстояния d, обычно сравнимого с вектором Бюргерса дислокаций Ь.
Связь пластической деформации и разрушения не ограничивается только формированием и подрастанием зародышевых трещин, а имеет более сложный характер взимодействия. Как правило, пластическое течение начинается при сравнительно низких напряжениях, существенно меньших теоретической прочности, и поэтому на концентраторах напряжений она начинается раньше разрушения и может приводить к его торможению. Помимо этого, вершина трещины сама является эффективным концентратором напряжений. Инициируемая ими направленная микропластичность приводит к созданию характерных пластических зон в окрестности вершины трещины.
При определенных условиях микротрещины могут залечиваться, превращаясь в другие дефекты - дислокации или вакансии. Движущей силой процесса в этом случае могут являться сжимающие напряжения, приводящие к эмиссии дислокаций, или поверхностная энергия, стимулирующая ваканси онное растворение трещины при повышенных температурах.
Наиболее полно упомянутые вопросы исследованы и теоретически осмыслены для материалов, деформирующихся преимущественно скольжением. Дислокационные представления и механизмы разрушения двойникую-щихся материалов развиты и изучены не столь детально, хотя работы по влиянию двойникования на разрушение имеют более, чем полувековую историю [20]. В частности, нет единого мнения о связи двойникования с низкотемпературной хладноломкостью ОЦК металлов [21, 22].
В то же время можно выделить ряд характеристик, которые обеспечивают двойникам роль инициаторов хрупкого разрушения: высокие скорости развития двойниковых прослоек и связанные с этим динамические эффекты; значительная концентрация напряжений на границах двойников и в вершинах; жесткость взаимодействия с дефектами кристаллической решетки (границы зерен, двойников, включения и т. д.), обусловленная неизбежной переориентацией решетки и высокой степенью локализации деформации собственно двойником.
В последнее время интерес к двойникованию возрос в связи с разработкой сегнетоэластиков, наиболее интересные применения которых основаны на эффектах перестройки двойниковой структуры кристалла [23], а также - с появлением возможности управления пластической деформацией двойникованием в условиях внешних энергетических воздействий [24-28].
В двойникующихся материалах наблюдается особый тип микротрещин - каналы Розе. Последние представляют собой протяженные полости-микротрещины определенной кристаллографической ориентации, образующиеся при взаимодействии двойников. Интересной особенностью двойникования является существование у многих материалов начальной обратимой «упругой» стадии эволюции механического двойника [29], способной приводить к такой же обратимости зарождающихся каналов, самопроизвольно залечивающихся при раздвойниковании образца. К сожалению, сведения о каналах Розе крайне ограничены.
Современные технологии и процессы резко расширили круг используемых в технике материалов, причем преимущественно за счет неметаллов. И это связано не только с увеличением доли в современном производстве отраслей, традиционно потребляющих диэлектрические и полупроводниковые кристаллы (микроэлектроника, вычислительная техника, системы коммуникаций), но и с общей тенденцией замены металлических материалов керамиками, композитами, полимерами (приборостроение, авиакосмическая техника). Более углубленное изучение физических свойств дислокаций в диэлектриках и полупроводниках, (в первую очередь, это - обнаружение связанного с дислокациями электрического заряда и электронно-дырочных дислокационных состояний), существенно расширило спектр взаимосвязи пластичности с механическими, оптическими, электрическими и магнитными явлениями при разрушении твердых тел. В настоящее время обнаружен и изучен целый ряд механоэлектрических эффектов, обусловленных, в основном, электрической активностью дислокаций. Это - эмиссия электронов и ионов [30, 31], электромагнитное излучение в широком интервале частот - от звуковых до частот рентгеновского диапазона [32-35], электризация кристаллов при пластическом деформировании [36] и разрушении [37] и т.д.
Интерес к изучению подобного рода процессов связан со следующими обстоятельствами. Во-первых, получаемая с их помощью информация помогает исследовать процессы пластической деформации и разрушения на микроуровне, детализировать элементарные механизмы их протекания. С другой стороны, появляется возможность использовать чувствительные электромагнитные методы для изучения чисто механических процессов, используя эмиссионную активность дефектов структуры твердых тел. Упомянутые методы отличает высокое быстродействие, позволяющее исследовать различные электромеханические явления с любым необходимым разрешением во времени, они являются пассивными и, с этой точки зрения, предельно "бесшумными", т.к. не нуждаются в каком-либо вспомогательном воздействии на исследуемый образец помимо действующих на него в условиях испытания или эксплуатации нагрузок. Электрические методы регистрации могут хоро шо дополнять традиционные методы исследования, а также в некоторых случаях являться единственно возможным средством регистрации быстропроте-кающих или малоинтенсивных процессов при пластической деформации и разрушении.
Актуальность работы. Одной из фундаментальных проблем физики прочности является установление механизмов образования и развития микротрещин в твердых телах. Непредвиденное разрушение конструкций вызывается, как правило, постепенным или быстрым распространением в них трещин. Особое значение эта проблема приобретает при использовании высокопрочных материалов в условиях повышенных рабочих напряжений и агрессивных сред, когда опасными становятся трещины все меньшего размера, способные переходить в критическую стадию сразу же после образования или быстрого подрастания под нагрузкой.
Большая часть предложенных к настоящему времени механизмов зарождения трещин связывает их образование с локальной концентрацией пластической деформации. Наиболее полно закономерности формирования разрушения изучены и проанализированы в материалах, деформирующихся скольжением. Для них получен обширный экспериментальный материал и построены эффективные дислокационные модели, позволяющие оценить критические напряжения зарождения в рамках силового и термоактивированного подходов. Взаимосвязь же двойникования и разрушения чаще рассматривается исключительно с феноменологических позиций. Даже в хорошо изученных материалах (исландский шпат, цинк, сурьма, вольфрам и т.д.), как правило, отсутствует анализ микропластичности в очагах разрушения, не приводятся модели и аналитические оценки исследуемых явлений. Невыясненной остается роль упругого двойникования. Упругие двойники, создавая значительные напряжения в кристалле, являются потенциальными источниками разрушения, в частности, особого вида микротрещин - каналов Розе (КР). Последние представляют собой кристаллографически ограненные полости, образующиеся между параллельными (КР1) или пересекающимися (КР2) двойниковыми прослойками.
Эффективное решение проблемы предотвращения разрушения невозможно в отрыве от проблемы залечивания трещин. Изучение возможностей полного или частичного залечивания микро - и макротрещин представляет несомненный интерес, поскольку позволяет продлить срок службы изделий или восстановить их функциональные свойства. В этом направлении актуальными являются изучение влияния пластичности в вершине трещины на восстановление сплошности материала, исследование факторов и условий, влияющих на интенсивность и качество залечивания.
Новые возможности и содержание в исследовании процесса разрушения непроводящих материалов предоставляют эффекты электрической природы, связанные с наличием зарядов на берегах трещин и дислокациях. Присутствие электрического заряда на трещинах и дислокациях приводит к росту энергии разрушения и созданию электрических полей в объеме кристалла. Скопления заряженных дислокаций становятся концентраторами не только упругих напряжений, но и значительных электрических полей. Под нагрузкой электрическая активность трещин и дислокаций может быть использована для исследования кинетики их развития.
При постановке работы предполагалось, что распространение общих дислокационных подходов на двойникующиеся материалы с особой геометрией двойников и двойниковых границ, а также учет собственной электрической активности дефектной структуры кристалла позволят дополнить картину разрушения кристаллических материалов.
Целью настоящей работы являлось исследование основных закономерностей зарождения и залечивания трещин в материалах с различной кристаллической структурой, а также изучение вторичных электрических процессов при разрушении непроводящих кристаллов, связанных с электрическим зарядом трещин и дислокаций.
Реализация поставленной цели осуществлена посредством комплексного исследования механизмов взаимной обусловленности и взаимодействия процессов двойникования и разрушения материалов с различным типом кристаллической решетки, включающего разработку дислокационных моделей и анализ условий зарождения микротрещин при двойниковании; экспериментального изучения основных закономерностей залечивания микро- и макротрещин в кристаллах; установления связи между пластичностью в вершине трещины и восстановлением прочностных свойств материала при частичном залечивании трещин; разработки методических основ исследования быстро-протекающих электромагнитных процессов при механическом воздействии на непроводящие кристаллы, измерения динамических электрических характеристик дефектов и оценки их роли в разрушении. Научная новизна:
1. Предложены дислокационные механизмы образования и залечивания "упругого" канала Розе первого рода в кальците при взаимодействии встречных упругих двойников, развивающихся в параллельных плоскостях. Показано, что зарождение и исчезновение кристаллографически ограненных каналов является органическим элементом формоизменения кристалла при двойниковании;
2. Выполнены кристаллографический и дислокационный анализы процессов микропластичности в зонах взаимодействия деформационных двойников в металлах с ГПУ и ОЦК решетками, что позволило дать полное описание взаимосвязи деформации и разрушения и предложить механизмы зарождения каналов Розе второго рода в цинке и микротрещин в ОЦК металлах;
3. Разработаны дислокационные модели зарождения микротрещин при торможении двойников, учитывающие ступенчатое расположение дислокаций в его границах, и получены количественные критерии, позволяющие оценивать критические напряжения зарождения микротрещин;
4. Изучены кинетические закономерности самозалечивания макротрещин в щелочно-галоидных кристаллах при быстрой разгрузке образца в результате бокового откола. Установлено влияние пластического течения в вершине трещины на кинетику и качество восстановления сплошности при самозалечивании трещин. Выявлены две стадии процесса - быстрая, непосредственно следующая за разгрузкой образца, и медленная активационная стадия, скорость протекания которой может регулироваться внешними воздействиями. Выполнено математическое моделирование пластического течения в вершине остановившейся трещины и определен вклад пластической зоны, формируемой при остановке и залечивании трещины, в коэффициент интенсивности напряжений в ее вершине;
5. Разработанная методика параллельной регистрации кинетики разрушения и связанных с ним электрических процессов позволила провести прямые измерения плотности электрических зарядов на берегах движущейся трещины и определить их вклад в энергоемкость разрушения ионных кристаллов;
6. Учтено влияние электрического заряда дислокаций на условия зарождения трещин в дислокационных скоплениях и получены аналитические выражения для напряженности электрических полей, создаваемых скоплениями заряженных дислокаций. Рассчитаны нестационарные электрические характеристики скоплений, имеющие место при их движении и перестройке.
Практическая значимость результатов работы обусловлена тем, что:
- выявленные механизмы и разработанный дислокационный подход к анализу зарождения микротрещин позволяют прогнозировать поведение двойникующихся материалов при заданных условиях нагружения, а предложенные дислокационные модели - оценивать значения критических нагрузок, используя количественные характеристики двойников. Предложенные модели двойников и двойниковых границ могут быть использованы при компьютерном моделировании других механических процессов с участием двойников;
- изученные особенности залечивания трещин могут служить основой для разработки технологических методов восстановления нарушенной сплошности материала, использующих процедуру локального теплового или радиационного воздействия на вершину трещины;
- установленная связь между электрическими процессами и движением трещины позволяет предложить новый подход к исследованию динамики образования и развития электрически активных дефектов и разработать на его основе электромагнитные методы контроля качества и оценки надежности материалов, подвергающихся электрическим, оптическим, радиационным, механическим и тепловым воздействиям;
- показана возможность получения сильных электрических полей в неметаллических кристаллах при блокировке скольжения заряженных дислокаций, получены выражения для напряженности электрических полей скоплений заряженных дислокаций, позволяющие оценивать параметры поля по известным характеристикам скоплений и заряду дислокаций в них;
- модифицированы классические дислокационные схемы образования микротрещин в непроводящих кристаллах с учетом заряда дислокаций, что позволяет прогнозировать прочностные свойства кристаллов, пластическая деформация которых осуществляется движением заряженных дислокаций.
На защиту выносятся:
- дислокационные механизмы зарождения и залечивания микротрещин и "упругих" каналов Розе первого рода в кальците, механизм зарождения каналов Розе второго рода в цинке и аналитические условия их зарождения, схемы зарождения микротрещин в поликристаллическом кремнистом железе;
- метод и результаты кристаллографического и дислокационного анализов процессов микропластичности и разрушения при взаимодействии деформационных двойников в ГПУ и ОЦК металлах;
- дислокационные модели двойниковых границ и двойников, учитывающие ступенчатое распределение дислокаций в границах, полученные на их основе критерии зарождения микротрещин при торможении двойников и сравнительный анализ условий разрушения ОЦК и ГЦК металлов;
- результаты экспериментальных исследований общих закономерностей и особенностей залечивания трещин в ионных кристаллах, модель и расчет пластического течения в вершине остановившейся трещины, расчет вклада пластической зоны в вершине залеченной трещины в коэффициент интенсивности напряжений в ее вершине;
- метод параллельного исследования кинетики разрушения и электрических процессов в прозрачных непроводящих материалах и результаты прямых измерений плотности электрических зарядов на берегах движущейся трещины, кинетические закономерности проявления электрических эффектов при разрушении кристаллов;
- определение электростатической компоненты эффективной поверхностной энергии в щелочно-галоидных кристаллах;
- анализ классических дислокационных механизмов зарождения трещин (механизм заторможенного сдвига, схема пересекающихся скоплений) с учетом электрического заряда дислокаций;
- аналитические выражения для напряженности статических электрических полей скоплений заряженных дислокаций (заторможенное скопление; скопление, заблокированное с обеих сторон; скопление в линейно меняющейся потенциальной яме);
- расчеты кинетических параметров нестационарных электрических процессов, связанных с движением скоплений заряженных дислокаций.
Работа выполнена на базе Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина. Отдельные части работы выполнялись в соответствии с координационным планом АН СССР по физике твердого тела (раздел 1.3.3) в рамках тем "Исследование хрупкого разрушения и разработка методов торможения быстрых закритических трещин в металлоконструкциях" (государственный регистрационный номер 78052645) и "Исследование механизмов пластической деформации и разрушения твердых тел" (государственный регистрационный номер 018300001778) и поддерживались Министерством общего и профессионального образования (грант по фундаментальным исследованиям в области естественных наук № 97-0-4.3-185), Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № 98-01-00617, № 02-01-01173).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VIII Всесоюзном симпозиуме по механоэмиссии и механохимии твердых тел (Таллинн, 1981), Всесоюзной конференции "Повышение долговечности и надежности машин и приборов" (Куйбышев, 1981), II Всесоюзном симпозиуме "Экзоэлектронная эмиссия и ее применение" (Москва, 1982), Всесоюзном научном совещании "Электроимпульсная технология и электромагнитные про цессы в нагруженных твердых телах" (Томск, 1982), 4 отраслевой конференции "Повышение надежности авиационной техники средствами неразру-шающего контроля" (Москва, 1983), X Всесоюзном симпозиуме по механо-химии твердых тел (Ростов-на-Дону, 1986), VI Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 1989), XI Всесоюзном симпозиуме по механо-химии и механоэмиссии твердых тел (Чернигов, 1990), V Всесоюзной школе по физике прочности и пластичности (Харьков, 1990), Международной конференции "Микромеха-низмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996), 5 Российско-китайском Международном симпозиуме "Фундаментальные проблемы разработки материалов и процессов XXI столетия" (Байкальск, 1999), XXXV семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Псков, 1999), XXXVII, XXXVIII Международных семинарах "Актуальные проблемы прочности" (Киев, 2001; Санкт-Петербург, 2001), V Международном семинаре "Современные проблемы прочности" им. В.А. Лихачева (Старая Русса, 2001, 2003), Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов (Москва, 2001), III Международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 2003), XIV Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 300-летию Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 2003), XV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (Тольятти, 2003), второй Международной конференции "Кристаллофизика 21-го века" (Москва, 2003), XLII Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Калуга, 2004), III Международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов" (Черноголовка, 2004), научных семинарах в Институте кристаллографии им А.В. Шубникова РАН (1991, 2004).
Двойникование и хрупкое разрушение материалов
Первые систематические исследования вопроса влияния двойникова-ния на разрушение были проведены в Н.Н. Давиденковым и его учениками М.В. Якутовичем, Э.С. Яковлевой, Е.М. Шевандиным и др. [20, 112, ИЗ]. Изучая хладноломкость технического железа, сталей, цинка, авторы приходят к мнению о связи этого явления с двойникованием. В середине прошлого века вопрос о взаимосвязи двойникования и разрушения становится одним из основных в физике прочности. Проводится целый комплекс экспериментальных работ, косвенно подтверждающих сопричастность двойников к образованию хрупких трещин. Возникновение микроразрывов на двойниковых ламелях было обнаружено в армко-железе [114], в Fe [115-117], Fe+3,25%Si [73, 118-120], Fe+5%Cr [121], Zn [122, 123], Mo, Cr и W [124], и некоторых других материалах. В монокристаллах очаги микроразрушений наблюдались в вершинах [115, 125] и на границах [115, 116, 121, 126] двойников, в местах их пересечения [118, 73, 122, 123, 127] и взаимодействия с другими дефектами [123]. В поликристаллических агрегатах наиболее вероятными очагами для возникновения микротрещин являются границы зерен при торможении на них двойников [119, 124]. Растрескивание в этих случаях наблюдалось неоднократно [128, 123]. Раскалывание облегчается при сегрегации примесей вдоль приграничных областей. Разрушение по границам зерен или границам включений вблизи остановленного двойника наблюдалось также в ряде ОЦК металлов. В [129] было показано, что раскрытие микротрещин облегчено по границам раздела матрица-двойник. Металлографические исследования показали, что трещина в этом случае распространяется либо в объеме материала, либо вдоль границы раздела матрица-двойник. Экспериментальный материал по связи двойникования с разрушением неоднократно систематизировался [130-135]. В последующих работах в этом направлении анализировались условия пересечения двойников [136] и виды образующихся микросколов [137], стадии развития единичных прослоек и возможности сдвигообразования и растрескивания по их границам [126], возникновение трещин в результате конкуренции двойникования и скольжения [138, 139], кинетика и динамика двойникования и разрушения [140] и ряд других вопросов. Процесс зарождения и развития двойников сопровождается концентрацией напряжений в вершинах и на границах двойниковых дефектов [115, 141-143], т.е. границы двойниковых ламелей являются потенциально опасными очагами образования трещин [115, 116, 121, 126]. В случае затрудненности релаксационных процессов на них могут зарождаться микротрещины. Согласно оценке [115], прослойки шириной всего 0,1 мкм способны вызвать образование раскола. Такие субмикроскопические двойники всегда образуются при низкотемпературном деформировании металлов и могут быть ответственны за их преждевременное разрушение [116]. В [144] отмечают, что с увеличением числа циклов наводораживания увеличивается число трещин, связанных с двойниками.
Проведенное Л.Е. Карькиной [129] трансмиссионное электронно-микроскопическое изучение особенностей распространения микротрещин в материале, содержащем развитую систему двойников, показало, что наличие в кристалле достаточно высокой плотности тонких двойниковых пластин может облегчить распространение микротрещин. Заторможенные на границе двойника дислокации с вектором Бюргерса, не принадлежащим плоскости границы, представляют из себя зародыши микротрещин [145], т.е. двойниковая граница превращается в ослабленное место для распространения трещины [146]. Состояние двойниковых границ и их роль в хрупком разрушении определяются условиями развития прослоек и эволюцией дислокационной структуры в сопряженной области [66, 147]. Свойства двойниковых границ во многом определяют характер реализации процесса пластической деформации двойникующихся материалов [148]. Ценную информацию о состоянии границ двойника позволяет получить изучение его формы [149]. При этом по форме двойника можно судить о характере протекания основных процессов при двойниковании [150]. Так, например, микроструктурное исследование в [151] свидетельствует о том, что поверхность раздела двойника с матрицей имеет весьма сложную форму. При этом авторы заключают, что наблюдаемая форма двойников возможно связана непосредственно с механизмом их образования. Экспериментальные и теоретические исследования по атомной структуре и свойствам границ дают ценную информацию об элементарных механизмах происходящих в них перестроек. Опираясь на метод локальной рентгеновской дефрактометрии, в [152] исследовали субструктуру приграничных областей двойников. Авторы приходят к выводу, что от двойниковой границы внутрь зерна ответвляются малоугловые дислокационные стенки, расположенные на расстоянии «100 мкм. Этот факт трактуется как процесс самосовершенствования двойниковых границ в ходе отжига. В [153] проведен кристаллогеометрический анализ двойникования кристаллов с ОЦК решеткой. При этом рассмотрены механизмы зарождения и роста двойника. Стопорение границ при утолщении двойника неравномерно по его длине, что приводит к сложному зигзагообразному их строению [118]. Такая дефектность границ дополнительно способствует растрескиванию материала. В работе [154] показано, что по мере утолщения двойника при непрерывном нагружении коэффициент механического упрочнения границы уменьшается. Полученные данные, по мнению авторов, свидетельствуют о различном характере искажения границы и приграничной области при возникновении двойниковой прослойки, ее распространении и после отжига. В [155] изучено образование и уширение двойников, а также развитие процесса скольжения в крупнозернистом армко-железе в-зависимости от степени низкотемпературной деформации.
Авторами сделан вывод, что коэффициент упрочнения для металлов с ОЦК решеткой зависит от температуры, что, возможно, связано с изменением типа деформации, то есть с переходом от деформации скольжением к деформации двойникованием. Реальная граница двойника представляет собой скопление двойни-кующих дислокаций, что приводит ее к отклонению на угол Р от плоскости двойникования. Наиболее сильно это проявляется у клиновидных и линзо-видных двойников. С ростом р - плотности двойникующих дислокаций в границе - увеличивается р. В случае идеального сдвига р=0 (когерентная граница). В противном случае двойниковая граница является некогерентной и представляет собой наклонную стенку, образованную рядами (ансамблями) частичных дислокаций [156].
Границу двойника в смысле разориентации структур можно уподобить границе зерна [157]. Если не учитывать свойства границ, их тип и строение, то для оценки термических напряжений на некогерентной границе двойника применимо соотношение [158]:
Электризация кристаллов при раскалывании
Рассмотренные выше электромагнитные явления протекают полностью или частично по электронным механизмам и так, или иначе связываются с релаксацией электрических зарядов, образующихся на стенках трещины при разрушении образца или на его гранях при пластической деформации. Приведем и кратко обсудим известные экспериментальные данные о возможных причинах разделения заряда движущейся трещиной. Первые исследования сопутствующих разрушению электрических явлений были осуществлены в экспериментах по разрыву адгезионных контактов в парах различных веществ и расщеплению слюды. И.В. Обреимов, измерявший работу разрушения слюды-мусковита [338], наблюдал свечение кристаллов при их расщеплении. Б.В. Дерягин, Н.А. Кротова и В.В. Карасев, исследовавшие нарушение контактов адгезионных пар, зарегистрировали элек тризацию свежих поверхностей, эмиссию электронов и фотонов [339]. Позже такие же эффекты были обнаружены ими и при расщеплении слюды [340]. На вновь образованных поверхностях средняя плотность электрических зарядов через несколько десятков секунд после разрушения, измеренная в работе [341] с применением эффекта Керра, составляла —1,6-10" Кл/м2, в то время, как пиковые значения на отдельных участках достигали величины 10"3 Кл/м2. Что касается характера распределения электрических зарядов по поверхности, то авторами [342] показано, что он имеет вид мозаики, причем площадь ее элементарных положительно и отрицательно заряженных участ-ков составляла около 1 мм . Приведенные выше результаты относятся к остаточным значениям поверхностной электризации. Однако в работе [340] было зарегистрировано появление динамических зарядов в момент скачков трещины. Их плотность достигала 5-10"4 Кл/м2 и была в несколько раз выше, чем значения а0, наблюдаемые на этих же кристаллах через несколько минут после разрушения. Электризация поверхностей может вносить вклад в работу разрушения
А. На это обратил внимание еще И.В. Обреимов [338]. Оказалось, что для образцов, приготовленных в одинаковых условиях, но расщепляемых с разными скоростями, измерения у отличаются в несколько раз: для медленно расщепляемых клином образцов у составляет 375 эрг/см2, для динамического расщепления маятником - 2208-2140 эрг/см [339]. Влияние скорости разрушения на у отмечали также авторы [341], измерившие синхронно зависимость от скорости v работы разрушения А и поверхностной электризации и установившие, что A(v) и cr(v) для одинаковых образцов имеют симбатный характер. Сходный круг электрических явлений наблюдается и при разрыве коге-зионных связей в неметаллических кристаллах. Наиболее подробны данные, касающиеся плотности зарядов на вновь созданных поверхностях. В частности, для ряда кристаллов (LiF, NaCl, КС1, KJ, KBr, NaBr) проводились изме рения абсолютных величин о0, изучался характер их распределения вдоль скола, исследовалось влияние на а0 рентгеновского облучения. Первый цикл работ по систематическому изучению остаточной заря-женности свежих поверхностей скола в кристаллах LiF провел М.И. Корн-фельд [37], им же были предприняты попытки объяснения причин электризации поверхностей скола. Обнаружено, что, несмотря на существование некоторого перераспределения зарядов при разрушении между кристаллом, ножом и "щепками" раскола, поверхность заряжается главным образом в результате разделения зарядов между стенками трещины. При этом обе части образца, как правило, приобретают избыточный заряд противоположного знака величиной около 10" Кл при площади свежей поверхности 1 см" . Более тонкая структура и детали поверхностной электризации качественно были выявлены на электронно-микроскопическом уровне с применением метода декорирования частицами антрахинона и благородных металлов [342].
По мнению авторов, кристаллизация декорирующих частиц происходит избирательно на заряженных дефектах, а механизм и скорость ориенти-рованой коалесценции зародышей определяется, в первую очередь, электрическими свойствами поверхности подложек. На реальной поверхности ионных кристаллов имеются положительно и отрицательно заряженные участки, образующие на зеркальных сколах зарядовую мозаику. Пятна мозаики имеют размеры порядка 500-1000 мкм. На границах заряженных областей часто наблюдаются переходные участки шириной порядка 50-70 мкм, характеризующиеся слабой электрической активностью или ее отсутствием. Между областями повышенной электрической плотности выявляются "мостики", определяемые авторами [342] как следы микропробоев по поверхности. Численные значения плотности поверхностных зарядов для ЩГК измерялись рядом авторов [36, 343-346]. Для кристаллов LiF без специально введенных примесей при усреднении по поверхности порядка нескольких мм2 значения о"о, измеренные разными методами, сравнимы по величине и со-ставляют (1-10) мкКл/м . Однако локальные значения а0, наблюдаемые при
Определение кристаллографических индексов вторичного двойникования и скольжения в зонах пересечения двойников
Отмечено также самопроизвольное двойникование образцов кадмия при нагреве их на воздухе от 77 до 300 К, которое сопровождается характерной для скачкообразного развития двойников акустической эмиссией. При металлографическом исследовании поверхности обнаружено обра-О зование сетки двойников, зарождение которых идет преимущественно на субграницах и на границах зерен. Подобное появление двойниковых прослоек имеет место и в цинке [166]. Возникновение последних связано с термическими напряжениями, концентрирующимися на границах, вследствие существенного различия коэффициентов термического расширения (для разных направлений) соседних разориентированных кристаллов. Зарождение двойников позволяет предположить, что величина межзеренных термических на-0 133 пряжений не ниже напряжений двойникования указанных металлов при 77 К. Двойники, обусловленные термическими напряжениями, пересекаются при низких температурах с теми же особенностями, что и механические, вызванные взрывом ВВ или ударом бойка. Рис. 3.4. Розетка сопряжения пересекающихся двойников в кадмии: 1 - атакующий двойник; 2 - остаточный двой ник; 3 - элементы раздвойникования (1012) [1011] в остаточной прослойке; 4 - дополнительное двойникование (1 012) [1 01 1] в матрице. Плоскость наблюдения (1120). 1 145 мкм Подробный кристаллографический анализ вторичного двойникования и скольжения в местах пересечения двойников был выполнен в [367, 369]. В исследованиях показано, что зарождение микротрещин в цинке, а также аномалии, наблюдаемые в кадмии при пересечении двойников, обусловлены процессами микропластичности по вполне определенным кристаллографическим системам. 3.3. Определение кристаллографических индексов вторичного двойникования и скольжения в зонах пересечения двойников Э Определение кристаллографических индексов вторичного двойникования, а также скольжения в остаточном двойнике проводили в предположении, что один из взаимодействующих двойников статический, а второй - динамический, распространяющийся под действием некоторого касательного напряжения т, атакует стационарную прослойку-стопор. При этом в статическом двойнике будут развиваться вторичное двойникование и скольжение С преимущественно по плоскостям с наибольшими касательными напряжениями.
Последние пропорциональны фактору Шмида, величиной которого определяется степень активности той или иной системы двоиникования или скольжения [372] как в статическом двойнике, так и в матрице. Возможные плоскости вторичного двоиникования для всех вариантов пересечений приведены в табл. 3.1. Значения фактора Шмида меньше нуля означают, что направления действия эффективных касательных напряжений в этой плоскости противоположны реальной ориентации сдвига при двойни-ковании. Из табл. 3.1 следует, что в первом варианте пересечения вторичное двойникование в статической прослойке будет наблюдаться по плоскостям (0112)t и (1012)t. Однако вероятность развития двойника по (Oil 2)t выше, так как фактор Шмида в этой плоскости имеет большее значение. При графическом построении следов пересечения указанных плоскостей с поверхностью наблюдения (0001) получили схему, представленную на рис. 3.5 а. Аналогично были определены схемы вторичного двоиникования для второго и третьего вариантов пересечений (рис. 3.5 б, в). Из приведенного выше следует, что при увеличении напряжения, вызывающего развитие динамического двойника, в статической прослойке будет развиваться вторичное двойникование. Причем вначале по плоскостям с максимальными значениями фактора Шмида, а затем с меньшими, по мере достижения в них напряжений, необходимых для зарождения двойникования. Так, на рис. 3.5, а сначала должен появиться двойник (01 12)t, а затем (1 1 02), и только после этого может возникнуть (1012),. Определенные графически схемы вторичного двойникования совпадают с экспериментально наблюдаемыми на (0001) пересечениями по I и II вариантам (рис. 3.5, г, д).
Найденные отличия в процессах вторичного двойникования первых двух вариантов взаимодействия двойников дают возможность дифференцировать их на плоскости (0001) и в цинке, и в кадмии. Взаимодействие двойников по третьему варианту при низкой температуре сопровождалось развитием базисного скольжения в остаточном двойнике. Вторичные двойники при этом практически не наблюдались. Следует отметить, что рассмотрение процессов пересечения двойников определяет лишь возможные условия распространения вторичных двойниковых прослоек в той или иной плоскости. Для окончательного вывода необходимо исследовать условия зарождения двойникующих дислокаций во вторичных плоскостях двоиникования и проанализировать скольжение и взаимодействие скользящих дислокаций. Для определения возможных плоскостей и направлений скольжения целесообразно воспользоваться предложенной выше методикой, т.е. определить значения факторов Шмида для всех плоскостей и направлений скольжения в остаточном двойнике. Полученные значения фактора Шмида и воз можные направления скольжения в сдвоиникованном материале статической прослойки приведены в табл. 3.2. Используя ее результаты, можно написать все реакции взаимодействия скользящих дислокаций с учетом возможных (с наибольшими значениями фактора Шмида) направлений сдвига.
Влияние двойников на механизм и кинетику динамических трещин в сплаве Fe+3,25% Si
Деформационное двойникование в большом классе материалов предваряет разрушение. Обладая большой релаксационной способностью и быстродействием интенсивное двойникование способно в принципе задерживать начало разрушения. Зарождению двойников предшествует высокая аккумуляция энергии упругой деформации [174]. При нагружении в реальном кристалле формируется непрерывный интервал напряжений от очень высоких локальных величин до уровня приложенных и ниже. Возникновение двойниковой ламели - это предотвращение разрушения кристаллической решетки в участке, где достигается высокая концентрация упругой энергии. Ее аккомодация на границе двойника с матрицей приводит к значительному понижению средней энергии в исходной решетке. Образование двойников непосредственно перед трещиной повышает энергию зарождения и подрастания последней [162]. Затрудняя или облегчая двойникование, можно регулировать размеры микротрещин, приводящих к разрушению, напряжения для их развития, нача ло старта разрыва. Многочисленными экспериментальными исследованиями показано [14, 205], что двойниковые ламели, наряду с другими структурными и деформационными несовершенствами, являются барьерами на пути развития трещин. В частности, в кальците [225] прослойки снижают концентрацию напряжений в вершине трещины, вызывают многочисленные ступени скола, изменяют геометрию фронта разрыва и т.д. Все это приводит к возрастанию энергетических затрат на разрушение. Интересны результаты, полученные при воздействии на трещину в кальците упругими статическими и динамическими двойниками [350, 390]. Так, при взаимодействии скола по плоскости (100) с прослойкой (011) наблюдалось стопорение разрушения продолжительностью до 40-50 мкс, а иногда и сокращение размеров трещин, обусловленное залечиванием отдельных участков. При параллельном движении быстрой трещины и динамического упругого двойника разрушение замедляется вплоть до полной остановки. После исчезновения упругого двойника трещина получает дальнейшее развитие. Таким образом, кратковременно вмешиваясь в процесс разрушения упругими двойниками, можно, не нарушая структуры материала в течение основного времени его эксплуатации, управлять разрушением [390]. Предшествующие двойники, являясь естественными барьерами на пути разрушения, могут стать инструментом для перевода быстрых закрити-ческих трещин в неопасную квазистатическую стадию роста и окончательного торможения. Это имеет крайне важное значение для торможения квазихрупких трещин при низких температурах в ОЦК-материалах, где двой-никование является основным видом пластической деформации. Взаимодействие разрыва с системой предварительно созданных двои никовых прослоек исследовалось в кремнистом железе [14]. Установлено, что прохождение трещиной двойниковых «каркасов» сопровождается образованием многочисленных ступеней скола, областей локальной деформации, неоднократными замедлениями и остановками.
Предшествующее двойникование в сплаве Fe+3,25% Si главным образом проявляется в плоскостях (1 12) и (1 12), выход которых на поверхность образца (ПО) оказывается параллельным сколу по плоскости (001). Поэтому в практическом плане особый интерес представляют исследования движения динамической трещины вдоль системы параллельных ей двойников. Такие исследования проводились на кремнистом железе [391, 392]. При теоретическом анализе [392] трещина моделировалась прямой внутренней щелью с размером 2а в плоскости скола (001), распространяющейся с постоянной скоростью по направлению [110] под действием напряжений а0 [393]. Использовалась система координат: Х\ - вдоль направления роста [110], Y\ - перпендикулярно плоскости скола - направление [001], Zj - в плоскости разрушения по [ПО]. Компоненты напряжений в вершине трещины записывались аналогично [394]. Двойник задавали системой из 50 винтовых дислокаций на обеих границах с вектором b =400b. Координаты двойни-кующих дислокаций находили из выражения [57] (обозначения аналогичны принятым в п. 4.1). Компоненты поля напряжений винтовой ламели (112) в координатной системе: Хг - вдоль прослойки по направлению [110], Y — ортогонально плоскости двойникования - [112], Z2 - перпендикулярно Х2 и Y2 - по [111], рассчитывались по уравнениям [141]: где х и у — координаты точек, в которых определяются напряжения. Для анализа упругого воздействия двойника на трещину тензор напряжений винтовой двойниковой прослойки О О О О приводили к системе координат, связанной с вершиной трещины [395]: где о т — тензор напряжений двойника в новых координатах; М — матрица трансформации, компоненты m которой находятся как [127]: где hi, к /,и Uj, Vj, Wj - индексы Миллера соответственно старых и новых координатных осей; АГ1 - транспонированная матрица М..
Определив компоненты матрицы М и выполнив преобразование напряжений, нашли значение тензора напряжений двойника в новых координатах: Просуммировав затем соответствующие компоненты поля напряжений трещины и двойника и ограничиваясь лишь составляющими в плоскости X\Yh получили суммарный тензор системы трещина + двойник: Результаты расчетов приведены на рис. 4.13-4.16. При прохождении трещины вдоль двойника разрывающие усилия в ее устье меняются: при подходе к вершине прослойки возрастают, при удалении от нее вдоль границы уменьшаются (рис. 4.13). Система двойников усиливает эффект. Так 10 плотно расположенных ламелей полностью подавляют упругое поле трещи
