WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 9 Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах © Ю.И. Тялин, В.А. Тялина, В.А. Федоров, М.В. Чемёркина, А.А. Бутягин Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, 392622 Тамбов, Россия E-mail: feodorov@tsu.tmb.ru (Поступила в Редакцию 23 января 2004 г.) Изучено залечивание микро- и макротрещин при локальном нагреве и рентгеновском облучении монокристаллов LiF. Описаны основные особенности залечивания, связанные с локальным характером воздействия. Оценен вклад пластической зоны, формирующейся при остановке и залечивании трещины, в прочность кристаллов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-01-01173).

К настоящему времени опубликовано достаточно кости (001). Трещина располагалась симметрично отнобольшое число работ, посвященных исследованию зале- сительно широкой грани образца.

чивания трещин, которое в основном наблюдалось в ион- Дислокационная структура вершины остановившейся ных кристаллах с хорошо выраженными плоскостями трещины выявлялась химическим травление образцов в спайности [1]. Описаны основные особенности процесса водном растворе хлористого железа FeCl3. Травлению залечивания под действием сжимающих нагрузок [2] и подвергались только свежие поверхности образца. Для самозалечивание трещин, имеющее место при остановке этого исходный образец раскалывался на две части по трещины и быстрой разгрузке образца (например, за плоскости (100). На одной части фиксировалась исходсчет бокового откола) [3,4]. Определенное внимание ная дислокационная структура в вершине трещины, на уделялось влиянию внешних факторов (нагрев, электри- другой — структура после залечивания.

ческое поле) на восстановление сплошности кристаллов Получение нужной длины трещины достигалось скачи их прочностных свойств [5]. кообразным продвижением ее под действием малой ударной нагрузки. Длина отдельного скачка трещины В данной работе изучалась возможность залечивания трещины в кристаллах LiF при локальном механиче- при этом составляла 2-3 mm. При таком характере распространения трещины в местах ее остановки обраском воздействии на ее вершину. Локальная нагрузка в зуются линии скольжения в виде характерного дислокавершине трещины создавалась в результате нагрева или рентгеновского облучения материала в малой окрестно- ционного „креста“.

Использовалось несколько схем залечивания трещисти вершины трещины. В этом случае в зоне воздействия ны: локальный нагрев, облучение, сжатие. Для нагреобразуются сжимающие напряжения, которые можно использовать для восстановления нарушенной сплошно- ва образцов использовался медный стержень диаметром 4 mm, температуру которого изменяли от сти. Отличие данных схем нагружения образцов состоит в том, что температурные напряжения после охлажде- до 350C. Применялся односторонний и двухсторонний нагрев. Облучение образцов проводилось на аппарате ния образца исчезают, а напряжения, созданные при ДРОН-2 при напряжении на трубке 25-30 kV и токе облучении, могут существовать в кристалле достаточно 8-10 mA. Этим параметрам облучения соответствует долго и удерживать трещину в закрытом состоянии доза 0.05 R/s. Сжатие образцов нагрузкой до 20 N осущедаже в том случае, если сплошность материала не ствлялось либо с помощью призмы, либо в струбцине.

восстановится.

В некоторых опытах воздействие было комбинированОсновными задачами работы в связи с этим являным — слегка поджатый образец локально нагревался в лось: 1) выбор режимов и схем локального воздейстобласти вершины трещины.

вия на вершину трещины, обеспечивающих восстаЧасть экспериментов проводилась на микротрещинах, новление сплошности материала в вершине трещины;

образующихся при индентировании кристаллов [6]. Та2) разработка методики и проведение прямых измерекие трещины имеют дискообразную форму и лежат в ний прочности образцов с залеченной трещиной.

плоскостях (110). В этих экспериментах оптическим методом измерялась длина трещин до и после воздействия 1. Методика эксперимента на образцы.

Для оценки качества залечивания макротрещин проИз крупных блоков монокристаллов LiF по плос- водились механические испытания образцов с исходной костям спайности выкалывали призматические образ- и залеченной трещиной. При этом фиксировались длина цы размером 3 8 40 mm. В образцах создавалась трещины L и критическое усилие разрыва образца F. По зародышевая трещина длиной L = 20-30 mm в плос- этим данным определялся коэффициент интенсивности Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах напряжений в вершине трещины [7] 2 3 LF K1 =, wh h где h — полуширина образца, w —его толщина.

2. Результаты и обсуждение 2. 1. З а л е ч и в а н и е м и к р о т р е щ и н. Для получения микротрещин при индентировании использовались Рис. 1. Микротрещины при индентировании пирамидой Викнагрузки 0.5, 1 и 2 N. При таких нагрузках характеркерса.

ный размер образующихся трещин составлял 20-60 µm (рис. 1). На небольшой площадке зарождалось несколько микротрещин. Затем ее подвергали либо нагреву, либо рентгеновскому облучению через свинцовую маску с отверстием диаметром 2 mm. Фиксировались размеры трещин до и после воздействия. В опытах по локальному тепловому воздействию мы не обнаружили изменения длин микротрещин. При рентгеновском облучении отмечено небольшое уменьшение их размеров (см. таблицу).

Изменение размеров микротрещин при локальном облучении (µm) Рис. 2. Форма фронта исходной и залеченной трещин:

a — исходная трещина, b — одностронний нагрев, c —двухa 91 77 79 65 42 103 112 78 161 148 124 192 сторонний нагрев.

b 82 70 79 65 39 91 108 75 155 140 123 Примечание. a — размер трещины до воздействия, b — после воздействия.

В части экспериментов использовался односторонний нагрев образца. Геометрические особенности залечиОбразцы облучались в течение 2 часов. При меньвания трещин в этом случае иллюстрирует рис. 2, b.

ших выдержках (порядка 103 s) какого-либо эффекта Видно, что по глубине образца трещина залечивается отмечено не было. Следовательно, при больших дозах не одинаково.

облучения эффект будет усиливаться. Хотя отсутствие Длина залеченного участка, примыкающего к нагрезалечивания при температурном воздействии говорит о вающему стержню, больше, чем в глубине и на протом, что микротрещины, образующиеся при индентитивоположной стороне образца. Эта неоднородность ровании, являются достаточно „жесткими“. Это может проявляется тем ярче, чем больше толщина образца.

быть связано с геометрией их поверхностей {110}, не Более однородное залечивание получается при двухявляющихся плоскостями спайности. Трещины в таких стороннем нагреве образца (рис. 2, c). В этом случае плоскостях имеют сильно развитый поверхностный реобразец более равномерно прогревается по глубине, льеф, препятствующий залечиванию. Травление облуи вся вершина трещины попадает в зону сжимающих ченных образцов не выявляло канавок, характерных для напряжений. Отмечено, что фронт залечивания трещины участков залеченных трещин. Это говорит о том, что в изогнут в сторону, противоположную исходной. Это данном случае имеет место только визуальное уменьше- может быть связано с тем, что в центре образца рельефы ние размеров трещины (восстанавливается оптический противоположных берегов трещины совпадают лучше, контакт).

чем на краях. На краю образца чаще наблюдаются 2. 2 З а л е ч и в а н и е м а к р о т р е щ и н. Как правило, микросколы, которые могут препятствовать сближению при однократном тепловом воздействии на образец берегов трещины и ее залечиванию.

исходная трещина закрывается на участке размером Предпринималась попытка залечить трещину на больпорядка зоны воздействия (2-3mm). Чаще всего тре- шем участке. Для этого зону нагрева смещали к началу щина залечивается полностью по всей указанной длине. трещины по мере ее залечивания. Фрагмент залеченной Фронт исходной трещины не является прямолинейным, трещины приведен на рис. 3. Залечивание уже не являа слегка изогнут в сторону движения трещины. С ростом ется столь совершенным, как в первом случае. С удатолщины образца фронт трещины распрямляется, но лением от вершины качество залечивания снижается.

овальная форма сохраняется для всех размеров кристал- Незалеченные участки могут встречаться как у края лов, использующихся в наших экспериментах (рис. 2, a). образца, так и в его центре.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1616 Ю.И. Тялин, В.А. Тялина, В.А. Федоров, М.В. Чемёркина, А.А. Бутягин при залечивании восстанавливается не только оптический контакт, но и сцепление между противоположными берагами трещины. Причем качество залечивания выше в областях, примыкающих к вершине трещины.

Здесь травлением в некоторых случаях выявляются лишь единичные ямки на следе залечившейся трещины (рис. 4). Последние можно рассматривать как результат пластического смятия несовпадений субатомных размеров (рис. 5).

По мере удаления от вершины число таких несовпаРис. 3. Поверхность залеченной трещины при многократном дений возрастает. Формируются группы ямок травления, локальном тепловом воздействии.

строчки и канавки травления. И, наконец, сумма рельефных несовпадений становится настолько большой, что для залечивания макронесовпадений необходимо существенно повышать напряжения в зоне воздействия. При этом уже будет иметь место деформация не только в окрестности трещины, но и в объеме кристалла. В наших экспериментах мы не заходили в область таких нагрузок и ограничивались только напряжениями, не создающими заметной деформации всего образца.

Представлялось интересным выяснить, насколько полно восстанавливаются прочностные свойства кристаллов. Для этого образцы с залеченной трещиной разрушались по схеме нормального разрыва. При этом фиксировалось усилие критического разрыва F образца с трещиной заданной длины. Результаты экспериментов для двух серий образцов с исходными и залеченными Рис. 4. Дислокационная структура вершины залеченной третрещинами приведены на рис. 6.

щины.

Отметим, что усилия разрыва образца с залеченной трещиной выше, чем у необработанных образцов. На рис. 6 приведены усилия разрыва в зависимости от длины исходных залеченной и незалеченной трещин.

Первая и естественная причина указанного различия — это сокращение длины трещины. Это связано с тем, что у залеченной трещины не всегда можно определить величину L, так как фронт ее сильно отличается от прямолинейного.

Однако если по изменению критического усилия определить эффективную длину залечивания L, то она, как Рис. 5. Схема образования ямок травления на траектории залеченной трещины.

При малых температурах нагрева и в случае „жестких“ кристаллов закрытие трещины идет в результате обратимого скольжения по тем же полосам и линиям, которые формируются в процессе остановки трещины. В этом случае появление новых интенсивных зон пластической деформации не наблюдалось. В „мягких“ кристаллах и при максимальных температурах нагрева зоны термического влияния деформируются значительно. Отмечается не только увеличение размеров полос в вершине исходной трещины, но и интенсивная пластическая деформация в зоне термического контакта по другим плоскостям скольжения.

Рис. 6. Критические усилия разрыва образцов с трещиной.

Анализ картин травления образцов с залечившимися 1 — образцы с залеченной трещиной, 2 — образцы с незалетрещинами показывает, что в большинстве образцов ченной трещиной.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах правило, несколько превышает те средние значения L, которые наблюдаются в эксперименте. Иными словами, помимо сокращения длины трещины существует и иная причина некоторого упрочнения образцов с залеченной трещиной. В частности, ею может быть взаимодействие трещины с пластической зоной, формируемой при ее остановке и залечивании.

Представим последнюю двумя линиями скольжения в полуплоскостях (011) и (011), обращенных в сторону начала трещины, и дисклинационным диполем в вершине залеченной трещины в плоскости (001). Тогда изменение коэффициента интенсивности напряжения K1 за счет упругих напряжений пластической зоны будет равно L+L 2 3 L K1 = xx(x) dx, wh h L где xx — напряжения на берегах трещины, L — длина залеченной области. При определенных условиях (l < L 2, где l — длина линий скольжения), которые выполняются практически всегда в случае самопроизвольной остановки трещины [8], напряжения xx будут сжимающими. Изменение K1 можно представить в следующем виде:

2 6 LAn L K1 = ln 1 +, L wh h где A = Gb/2(1 - ), G — модуль сдвига, b —вектор Бюргерса дислокаций, — коэффициент Пуассона, n — число дислокаций в линии скольжения, — численный коэффициент, определяемый геометрией пластической зоны ( <1).

Для достаточно больших n (> 100) изменение Kможет достигать десятков процентов. Причем упрочняющий эффект может быть сменен разупрочняющим при других способах остановки трещины, когда пластическое течение будет более интенсивным в полуплоско стях (011) и (011), лежащих перед ее вершиной.

Список литературы [1] М.П. Шаскольская, Ван-Янь-Энь, Гу-Чжу-Чжао. Кристаллография 6, 4, 605 (1961).

[2] Ю.В. Грдина, В.В. Неверов. Кристаллография 12, 3, (1967).

[3] В.М. Финкель, О.Г. Сергеева. ФТТ 29, 3, 857 (1987).

[4] В.А. Федоров, Т.Н. Плужникова, Ю.И. Тялин. ФТТ 42, 4, 685 (2000).

[5] В.А. Федоров, Л.Г. Карыев, А.М. Николюкин, В.П. Иванов.

ФТТ 38, 2, 664 (1996).

[6] В.А. Федоров, Л.Г. Карыев. Физика прочности и пластичности материалов: Тез. докл. XIV Междунар. конф. Самара (1995). С. 72.

[7] Г.П. Черепанов. Механика хрупкого разрушения. Наука, М.

(1974). С. 640.

[8] Ю.И. Тялин, В.А. Федоров, Т.Н. Плужникова, В.А. Куранова. ФТТ 42, 7, 1253 (2000).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.