Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Хрупкое разрушение при механическом нагружении 27
1.1. Современное состояние исследований кинетики хрупкого разрушения в механических полях (обзор литературы) 27
1.1.1. Хрупкое и вязкое разрушение 27
1.1.2. Теория Гриффитса, ее возможности и недостатки 31
1.2. Временные эффекты при вязком разрушении. Термофлуктуационная природа вязкого разрушения 35
1.2.1. Кинетическая концепция разрушения С.Н. Журкова 35
1.2.2. Особенности кинетики хрупкого разрушения 37
1.3. Материалы и методики испытаний 41
1.3.1. Исследованные материалы (получение, обработка, свойства) 41
1.3.2. Методики испытаний образцов (установки, расчет и экспериментальное определение напряжений) 46
1.3.3. Свойства поликристаллической сегнетокерамики (ПСК) 53
1.4. Выводы 59
ГЛАВА 2. Долговечность хрупких тел при постоянной нагрузке и ступенчатом нагружении 60
2.1. Долговечность материалов при статическом нагружении 60
2.1.1. Долговечность цинка и кремния при с = const 60
2.1.2. Долговечность ПСК при а - const 86
2.2. Прочность и долговечность ПСК при ступенчатом нагружении 103
2.2.1. Связь распределений прочности и долговечности ПСК 103
2.2.2. Влияние среды на разрушение ПСК 112
2.2.3. Долговечность и разрушающие напряжения ПСК при разной ориентации вектора поляризации 116
2.2.4. Температурная зависимость прочности и долговечности ПСК 124
2.3. Выводы 132
ГЛАВА 3. Прочность и долговечность хрупких тел при различных режимах нагружения ... 133
3.1. Долговечность материалов при циклическом нагружении 133
3.2. Скоростная зависимость прочности ПСК 142
3.3. Выводы 153
ГЛАВА 4. Кинетика хрупкого разрушения пск в электрическом поле 155
4.1. Обзор литературных данных 155
4.2. Задержанное разрушение ПСК при ступенчатом нарастании постоянного электрического поля ; 166
4.3. Выводы 174
ГЛАВА 5. Кинетика хрупкого разрушения пск при одновременном действии электрического и механического полей 176
5.1. Обзор литературных данных 176
5.2. Разрушение в электрическом и механическом полях как критический и кинетический процессы 180
5.2.1. Анализ разрушения в электрическом и механическом полях по Гриффитсу . 180
5.2.2. Кинетический подход к разрушению при одновременном действии электрического и механического полей 182
5.3. Долговечность ПСК при ступенчатом механическом нагружении в постоянном электрическом поле 184
5.4. Долговечность ПСК при ступенчатом электрическом нагружениии в постоянном механическом поле 192
5.5. Скоростная зависимость электрического разрушения при постоянной механической нагрузке 200
5.6. Связь между прочностью и напряжением пробоя ПСК 202
5.6.1. Зависимость прочности от напряженности внешнего электрического поля 202
5.6.2. Зависимость напряженности электрического поля пробоя от величины механической нагрузки 206
5.7. Влияние величины поляризации и её направления относительно напряженности внешнего электрического поля на разрушение ПСК 209
5.7.1. Механическая прочность 209
5.7.2. Разрушение в электрическом поле 212
5.8. Обобщенная диаграмма связи разрушающих механических напряжений и пробивной напряженности электрического поля 213
5.9. Основные результаты и выводы 216
ГЛАВА 6. Статистические аспекты хрупкого разрушения материалов 220
6.1. Распределение прочности образцов ПСК при механическом нагружении 220
6.1.1. Испытания при комнатной температуре 221
6.1.2. Влияние температуры на распределение прочности 223
6.1.3. Влияние среды на распределение механической прочности ПСК 225
6.2. Распределение электрической прочности ПСК системы ЦТС 228
6.3. Разрушение материалов при одновременном действии механического и электрического полей. 231
6.4. Сравнение распределения электрической механической прочностей образцов . 234
6.5. Статистика характеристик микроструктуры ПСК материалов (размер зерна, пористость) 236
6.6. Выводы. 239
ГЛАВА 7. Деформация материалов при приложении механических и электрических полей 241
7.1. Упругая и неупругая деформация материалов в механическом и электрическом полях 241
7.2. Неупругая деформация в механическом и электрическом полях 247
7.2.1. Аномальная зависимость скорости ползучести керамики ЦТС-19 от механических напряжений...,...; 248
7.2.2. Влияние модифицирующих добавок на скорость ползучести керамики системы ЦТС 255
7.3. Выводы 259
Заключение 260
Литература
- Теория Гриффитса, ее возможности и недостатки
- Прочность и долговечность ПСК при ступенчатом нагружении
- Скоростная зависимость прочности ПСК
- Анализ разрушения в электрическом и механическом полях по Гриффитсу
Введение к работе
Прогнозирование и предотвращение хрупкого разрушения материалов является одной из важнейших задач физики и механики твердого тела. Надежное прогнозирование возможно только в том случае, если учитывать кинетику хрупкого разрушения, т.е. рассматривать процесс в его развитии. В настоящее время известны исследования поведения трещин, структурных особенностей хрупких тел различной природы, разработаны математические модели разрушения. Во многих работах показана необходимость учета деформации в разрушении. Широкое признание получили работы, проведенные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН по изучению прочности твердых тел и влияния на нее релаксационных явлений.
Однако, возникло много неясностей, когда проблемой хрупкого разрушения стали интересоваться в современном электронном материаловедении, например, при разработке, изготовлении и эксплуатации полупроводниковых приборов и приборов, использующих электрически активные материалы (керамики на их основе). В этих приборах материалы находятся под действием механических (МП) и электрических полей (ЭП). Зарождение и медленное подрастание трещин до критического размера, как правило, контролируется подвижностью и характером взаимодействия дислокаций. Поэтому влияние электропластических эффектов, на их динамику должно отражаться на долговечности образца. Кроме того, ЭП может действовать на квазихрупкое разрушение, усталость, износ и другие процессы также и по недислокационным каналам.
Важность проблемы исследования кинетики хрупкого разрушения материалов в механических и электрических полях стимулировали постановку настоящей работы, в которой с физических позиций изучаются и анализируются макроскопические характеристики хрупкого разрушения в механическом и электрическом полях. Под механической прочностью мы будем понимать наибольшее допустимое напряжение, превышением которого исчерпывается несущая способность материала за счет разрушения. Электрический пробой - это резкое уменьшение сопротивления диэлектрика и увеличение силы тока, проходящего через него, когда напряженность электрического поля достигает критической величины, называемой электрической прочностью диэлектрика. Основной характеристикой разрушения в механическом или электрическом поле принимается долговечность х - время от момента приложения нагрузки к образцу до его разрушения. При простых режимах нагружения, когда внешние условия (механические напряжения о, напряженность электрического поля Е и температура Т) и внутренние (параметры структуры, определяющие скорость разрушения, т.е. величину т) постоянны в течение времени X, функциональная зависимость х(а, Е, Т) определяется непосредственным измерением х при данных а, Е и Т.
Новое научное направление, развиваемое в работе, можно сформулировать как установление основных физических закономерностей кинетики разрушения материалов во внешних механических и электрических полях, . включающее прямое экспериментальное обнаружение связи разрушения в электрическом и механическом полях.
Цели и задачи работы. Целью работы было обнаружение, изучение и объяснение макроскопических проявлений кинетики разрушения материалов в электрических и механических полях. В задачу работы входило следующее.
1. Выбор объектов исследования -материалов с различным типом
межатомного взаимодействия; материалов, обладающих пьезоэффектом. Разработка методик измерения долговечности хрупких материалов при статической нагрузке, прочности при различных скоростях нагружения, разработка методов экспериментальной оценки величины напряжений, действующих при осесимметричном изгибе пластин.
2. Изучение проявлений кинетики разрушения в опытах с постоянными напряжениями, при циклической нагрузке и в скоростной зависимости разрушающих напряжений. Выявление особенностей кинетики разрушения во внешнем электрическом поле.
3. Формулирование кинетической модели разрушения сегнетоактивных материалов при одновременном действии внешних электрического и механического полей.
4. Исследование деформационных процессов в нагруженных поликристаллических материалах с помощью лазерного интерферометра.
5. Исследование деформационных процессов кристаллической решетки монокристаллов кремния под нагрузкой с помощью метода романовской спектроскопии.
6. Разработка методики, позволяющей изменять физические свойства материала за счет изменения структурного упорядочения дефектов воздействием внешнего электрического и механического полей.
7. Разработка и применение методов упрочнения материалов путем химической полировки монокристаллов.
Теория Гриффитса, ее возможности и недостатки
Можно ожидать, что при разрушении сколом совершенного монокристалла поверхности излома являются идеальными плоскостями, на которых отсутствует какая-либо видимая структура. Однако в действительности на поверхности скола хорошо виден так называемый речной узор, образуемый расходящимися от источника разрушения ступеньками, которые в любой точке перпендикулярны фронту трещины. Каждая линия соответствует изменению уровня поверхности разрушения и возникает в результате того, что скол происходит не по одной плоскости, а представляет собой серию параллельных трещин, распространяющихся одновременно и соединяющихся вдоль линий, видных на сколе [11]. Ступеньки могут возникать и по ряду других причин, например, при пересечении трещины, распространяющейся вдоль плоскости скола, с винтовой дислокацией [12,13]. Эта дислокация может быть частью первоначальной сетки дислокаций в кристалле или частью малоугловой границы кручения. Дислокации могут также образоваться в результате пластической деформации как вследствие деформации всего кристалла перед разрушением, так и вследствие концентрации напряжений у конца распространяющейся трещины [14]. Краевые дислокации не вызывают образования ступенек скола: при пересечении трещиной малоугловой наклонной границы трещина просто изменяет свое направление.
Теоретическая прочность на сдвиг кристалла впервые была вычислена Френкелем [15]. Она оказалась на несколько порядков величины больше экспериментально наблюдаемого значения. Гриффите [16,17] объяснил эти несоответствия, предположив, что в хрупком теле имеются трещины, которые вызывают концентрацию напряжений, достаточную для локального превышения теоретической прочности. Используя энергетический критерий разрушения, т.е. предположив, что трещина распространяется под действием напряжения только в том случае, если уменьшение упругой энергии деформации больше, чем увеличение поверхностной энергии, можно получить для плосконапряженного состояния: или для плоскодеформированного состояния: где Е - модуль Юнга, S - поверхностная энергия, v - коэффициент Пуассона. Очевидно, что ак есть наименьшее растягивающее напряжение, способное вызвать самопроизвольный рост трещины.
Автор [16] экспериментально подтвердил связь разрушающего напряжения для стекла ак с длиной искусственно создаваемых дефектов Теорию Гриффитса подтверждают также опыты по упрочнению каменной соли [18] и стекла [19] путем удаления дефектов с их поверхности. Кроме того, она позволила объяснить ряд перечисленных ниже эффектов, наблюдаемых при разрушении хрупких тел:
1. Для хрупких материалов обнаружено увеличение их прочности с уменьшением сечения, так называемый «масштабный эффект» [19-22]. Например, при комнатной температуре прочность нитевидных кристаллов (НК) кремния снижается с увеличением их диаметра [23]. Согласно модели Гриффитса, это легко объяснить, предположив, что изменение прочности вызвано статистическим разбросом дефектов.
Теоретические работы, например [24], предсказывают, что более крупные образцы будут менее прочны вследствие большей вероятности нахождения в этих образцах более крупного дефекта [22]. Следовательно, хрупкое тело не обладает свойственной ему прочностью, и нужно говорить о вероятности разрушения при данной нагрузке.
2. Модель Гриффитса предсказывает слабую температурную зависимость ак, так как от температуры слабо зависят упругие модули и величины поверхностной энергии (в силу слабой зависимости энергии связи от температуры). Действительно, еще в опытах Иоффе [11,18] было показано, что хрупкая прочность от температуры не зависит, в дальнейшем аналогичные данные были получены для. многих материалов в хрупком состоянии: металлов (Fe, W, Mo [25,26]), полупроводников (Ge, Si, [27,28]), стекол [29] и др.
3. Из модели Гриффитса следует, что при напряжениях, меньших некоторого критического значения ак, имеющиеся в теле дефекты не растут, образец не разрушается. При достижении критического напряжения наиболее опасная трещина распространяется со скоростью, близкой к скорости звука. Подобное поведение экспериментально наблюдается во многих случаях разрушения хрупких тел [30,31].
Однако представления Гриффитса в ряде случаев плохо согласуются с опытом. Так, при использовании формулы Гриффитса для определенных стк и с получаются значения S во много раз превосходящие истинную поверхностную энергию. Орован [32] предложил включить в S работу пластической деформации, происходящей в поле напряжений распространяющейся трещины. Учет этого привел к появлению в(1.1)и(1.2) 8Эф вместо S. Позднее было экспериментально обнаружено наличие пластической деформации на разрушенных образцах. Так даже при разрушении сапфира [33] рентгеновским методом обнаружили на сколе следы деформации, при исследовании методом трансмиссионной электронной микроскопии на сколе кристаллов Si найдены места локальной пластической деформации [34].
Гриффите не рассматривал зарождение трещин. Развитие теории дислокаций позволило создать дислокационные модели зарождения трещин в кристаллах [35-42]. Смысл их сводится к следующему: если в результате движения дислокаций возникает трещина, и ее длина окажется больше критического значения, она начнет расти самопроизвольно, и наступает разрушение.
Прочность и долговечность ПСК при ступенчатом нагружении
Опыты проводились на сегнетокерамиках и структурах на основе различных сегнетокерамик из титанатов и цирконатов свинца, бария и кальция (ЦТС-19, ЦТС-22, ТБК-3). Измерения прочности проводили при различных температурах (включая температуру Тк фазового перехода) методом осесимметричного изгиба структур (дисков с электродами, нанесенными либо вжиганием серебра, либо методом напыления монеля) или дисков без электродов. Испытывались диски до нанесения электродов, либо они удалялись шлифовкой абразивным порошком, либо стравливались кислотами.
Хорошо известны исследования влияния электродов на электрофизические характеристики образцов [179], но нам не известны работы, за исключением [180], которые были бы посвящены изучению влияния электродов на характеристики кинетической прочности образцов. Вероятно, это связано с выбором методик исследования прочностных свойств сегнетокерамики [181], при использовании которых нельзя почувствовать влияние электродов, например, определение прочности на растяжение вклеенных в захваты массивных образцов, раскалывание кубиков путем сжатия их между ножами, индентирование поверхности, изгиб образцов с надрезами. Разрушение же приложением переменных электрических полей вообще невозможно без электродов. В то же время хорошо известно [124,152], что разрушение образцов при эксплуатации начинается с поверхности, и, следовательно, возможно влияние материала электродов и технологии их нанесения на разрушение. Поэтому в данной работе была поставлена задача выбрать методику исследования, которая позволила бы измерить кинетические параметры разрушения сегнетокерамики и структуры на ее основе и оценить влияние электродов на процесс разрушения. За величину прочности принимались максимальные растягивающие напряжения в момент разрушения хрупких тел, а под долговечностью - время до разрушения при выдержке под постоянным напряжением на ступеньке. Величина долговечности, следовательно, не могла превышать длительность ступени нагружения x At.
В таблице 2.3 показано, как изменяется прочность после снятия электродов. Напряжения рассчитывались по формуле (1.4), полученной в [103] для случая изгиба круглых пластин с недеформируемой нейтральной осью (плоскостью). Можно заметить, что при снятии электродов с образцов травлением прочность уменьшается пропорционально времени травления.
На рис.2.25 приведена типичная картина зависимости значений долговечности (времени до разрушения), которая отсчитывалась от момента окончания подгрузки на данной ступени нагружения до разрушения образца, от напряжения на ступеньке. Попадались образцы, разрушившиеся в момент подгрузки на Да, и при каждом уровне напряжений имеются образцы, разрушившиеся во время выдержки при постоянной нагрузке. Однако разброс значений долговечности очень велик и не позволяет непосредственно по данным испытаний построить зависимость т(а).
Описанные выше статистические приемы обработки результатов изучения долговечности при ступенчатой нагрузке позволяют построить зависимости т(ст) при большом разбросе долговечности.
Рис.2.26 иллюстрирует соответствие между долговечностью и вероятностью разрушения на разных фазах нагружения (подгрузке и выдержке при постоянной нагрузке). Из- рис.2.26 следует, что образец разрушается за.время x At (от xmjn, до ттах) при напряжениях с0 с той же вероятностью, что он разрушился при непрерывном нагружении в интервале от G0 до Сто +5ст, где, согласно [182, 183]
В зависимости от соотношения ба и величины ступеньки нагружения могут представиться два случая. Если До=Доі 5о, то, как показано в [136,182] можно использовать формулы (2.9) для расчета параметров зависимости долговечности от напряжений. Все образцы, которые разрушились при а с0 и при догрузке до Со, дают величину nj-число образцов, разрушающее напряжение для которых ар а0. Те образцы, которые разрушились при а с0, дают пт-число образцов с ор а0. Отношение числа образцов, долговечность которых лежит в интервале от ттіп=1с до хтах=900с, к сумме П=П+ПІ+ПТ дает 00 оэ „ вероятность разрушения за время At, a jWda = J—L(a)do- -полную —00 —да Л вероятность разрушения за время действия постоянной нагрузки при ступенчатом нагружении.
Скоростная зависимость прочности ПСК
Формально в выражении V3( =V(no-a/dto) это соответствует увеличению скорости релаксации, которая определяется изменением коэффициента а, с ростом температуры. Выше области фазового перехода наблюдается скачок УЭф, вызванный, очевидно, уменьшением возможностей для релаксации, что отмечалось выше. Наконец, в парафазе (Т ТК) при всех скоростях нагружения эффективный объем падает из-за температурного увеличения скорости релаксации, связанной, однако, уже только с дислокационными механизмами, возможными в парафазе (следует заметить, что вблизи Тк межфазные границы также могут играть заметную роль, так как фазовый переход размыт).
Итак, в настоящей работе экспериментально получены зависимости прочности поликристаллического сегнетоэлектрика состава ЦТС-22 в диапазоне скоростей нагружения изменяющихся на два порядка и температур (293ч-873)К. Наблюдаемое падение прочности с увеличением скорости разрушения объясняется релаксацией локальных напряжений, которые успевают проходить за время нагружения. При скоростях нагружения, превышающих О МПа-с 1, прочность практически не зависит от температуры испытания.
На основе релаксационной модели разрушения рассчитаны эффективные активационные объемы разрушения при разных температурах и скоростях нагружения. Отмечается рост эффективного активационного объема при увеличении скорости нагружения, а также его уменьшение с ростом температуры в. сегнетофазе и в парафазе. В области фазового перехода активационные характеристики разрушения претерпевают скачок из-за изменения как собственно механизма разрушения, так и механизмов релаксации локальных напряжений.
Ранее исследования диэлектрических свойств сегнетокерамики, например, диэлектрических проницаемостей є и є", показали их зависимость от. подвижности ДС, МФГ, ДД и точечных дефектов [179]. Поэтому была поставлена задача на этих же образцах измерить зависимость частоты внешнего электрического поля и температуры с целью уточнения температурных интервалов механизмов релаксации напряжений в материале. Измерения комплексной диэлектрической проницаемости в слабых полях (Е 100В/м) на частотах от 0,1 Гц до 10 кГц проводились на установке мостового типа. Расчет значений эффективной диэлектрической проницаемости проводился по формуле: устанавливались перед началом измерений, исходя из заданной величины измерительного поля и предполагаемого максимального значения Б исследуемого материала. Чувствительность установки по s была не менее 0,5%. Такая высокая чувствительность позволяла получать надежные данные при малых изменениях значений емкостей и диэлектрических потерь образцов. На частоте 1кГц снимались температурные зависимости є и tg5.
Стабилизация температуры осуществлялась электронными термостабилизаторами различных модификаций и была не хуже 0,01 К.
На рис.3.12 приведены значения УЭф и І/є при 1 кГц в зависимости от температуры испытания. Как известно, температура, соответствующая максимуму зависимости є(Т), не всегда совпадает с точкой Кюри — температурой фазового перехода Тк. Для определения Тк надо найти точку пересечения линейных участков зависимости —(Т) вблизи фазового є перехода (рис.3.12). Нами [213], как и в [215], для оценки степени размытия ФП использовалась величина ДТ=Т2-Ті, где Ті - нижняя граница, Т2 верхняя граница размытия, равная разности температур, при которых зависимость — (Т) начинает отклоняться от линейной по обе стороны от ФП Б (рис.3.12).
С целью определения размытия фазового перехода (ФП) провели 151 касательные в зоне отклонения —(Т) от прямой и нашли температуры Ті — s нижняя граница и Тг - верхняя граница размытия ФП (см. рис.3.12). Можно отметить, что изменения УЭф в области ФП действительно происходят в интервале температур ДТ=Т2-Ті, которым можно характеризовать размытие ФП. Именно в этом интервале происходит зарождение новой фазы (МФГ), доменной структуры, изменением размеров областей которых и объясняется изменение эффективного объема разрушения, а также изменение диэлектрических потерь в зависимости от температуры (рис.3.13). Скачок УЭф, равный АУэф/АТ определяется размытием AT. Итак, диэлектрические измерения не противоречат утверждению, что изменение УЭф есть результат выключения движения доменных и междуфазных границ, обеспечивающих релаксацию напряжений в сегнетофазе. Скачок УЭф, равный АУЭф/АТ зависит от размытия ФП.
Из рис.3.12 видно, что: во-первых, характер изменения УЭф(Т) и —(Т) аналогичны - уменьшение с ростом температуры. Это можно описать аппроксимационной зависимостью І/є от температуры: А(Т - Тс )n, где A, n - константы, Тк - температура Кюри, єт - максимальное значение диэлектрической проницаемости.
Физическая природа этой зависимости связывается с подвижностью ДС, МФГ. Если мы полагаем, что изменение УЭф вызывается уменьшением коэффициента перенапряжений п согласно формуле n=no-a/(ato), где п0-коэффициент перенапряжений сразу после нагружения образца, a, t0-константы релаксации перенапряжений, вызываемой движением ДС и МФГ, то и зависимость а от температуры при релаксации напряжений можно предположить в виде: a=a -A (TK)n.
Анализ разрушения в электрическом и механическом полях по Гриффитсу
Сегнетоэлектрические (СЭ) материалы в процессе их эксплуатации подвергаются воздействию электрических и механических нагрузок. В [264] предполагается, что СЭ состояние должно влиять на прочность и при этом должно наблюдаться либо увеличение прочности за счет торможения трещин на закрепленных 90 доменных границах и электростатического взаимодействия пиро- и пьезозаряда, образующихся на берегах трещины, либо снижение прочности из-за необратимых 90 доменных переориентации, которые можно рассматривать как пластическое деформирование путем двойникования, а также из-за возникающей анизотропии, поскольку в одном из направлений прочность снижается.
Разрушение (нарушение сплошности), появляющееся при приложении к сегнетокерамическим образцам электрических и механических полей или вызванное соответствующими внутренними полями, зависит от множества физических, кристаллографических и других факторов. К ним относятся свойства отдельных доменов кристаллитов сегнетокерамики, морфология доменных стенок, микроструктура сегнетопьезокерамики, наличие дефектов, включений, примесей и т.д.
В проблеме разрушения сегнетокерамики в электрическом поле (электрический пробой) неясным остается вопрос - как влияет механическое напряжение, созданное внешней нагрузкой в образце до приложения электрического поля, на развитие пробоя и величину электрической прочности Епр материала. Насколько нам известно, кинетические аспекты статического разрушения сегнетокерамики при одновременном действии механического и электрического полей не исследовались, поэтому экспериментальных работ по данному вопросу найти не удалось, хотя характеристики пробоя подобных материалов иногда обсуждаются с учетом механических напряжений [216,228,226,265]. При исследовании электрической прочности твердых диэлектриков, как правило, обсуждаются механизмы электрического пробоя, связанные, в основном, с активной ролью электронной и ионной систем кристаллов [219,257], но в теоретических работах уже рассматривался эффект возникновения механических напряжений (в результате обратного пьезоэффекта) в пьезокерамике ВаТіОз, которые по оценкам [231,266] могут достигать предела прочности материала и приводить к его разрушению до электрического пробоя.
Возникающие внутри твердых диэлектриков при приложении внешнего электрического поля напряженностью Е механические напряжения о [265] являются важным фактором, влияющим на развитие электрического пробоя и величину электрической прочности Епр материалов. Вследствие сильного электрострикционного или пьезоэлектрического эффекта (например, в СЭ и родственных материалах [228]) электрические поля могут вызвать значительные а, в некоторых случаях оказывающиеся достаточными для разрушения или микрорастрескивания образцов [266]. Развитию подобных эффектов способствуют также процессы переориентации сегнетоэлектрических доменов - механических двойников под влиянием поля Е (например, при поляризации поликристаллической сегнетокерамики (ПСК) [231]). Если в постоянных или низкочастотных электрических полях процессы микроразрушения развиваются при больших Е, то при резонансных частотах электрического поля в ПСК образцах - акустических преобразователях напряжения о достигают значений предела прочности даже при относительно небольшой напряженности Е Епр [267].
Влияние механических напряжений на развитие электрического пробоя в ПСК ВаТіОз при приложении ниже Тк внешнего импульсного поля Е было изучено в работе [234]. Установлено экспериментально [233], что механическое разрушение- несовершенного кристалла в СЭ фазе предшествует электрическому пробою, в то время как в параэлектрической фазе имеет место тепловой пробой. В [239] показано, что большие напряжения сжатия (250- 500МПа) снижают напряженность пробоя керамики ЦТС-19. Сильное влияние поляризации на напряженность пробоя Епр высокоплотного ПСК на основе ЦТС также объясняется [241] механическими напряжениями, возникающими в образце при переключении не 180-ных доменов. Прямые наблюдения фиксируют растрескивания границ доменов, индуцированных электрическим полем, в ориентированном по [001] пьезоэлектрическом монокристалле Pb((Mgi/3Nb2/3)03 - РЬТЮз [268]. Методами акустической эмиссии, дилатометрии и оптической микроскопии исследован процесс поляризации образцов сегнетокерамики ПКР-70 на основе РЬТЮз. В электрическом поле выше 2,5 МВ/м образцы приобретают бесконечную анизотропию пьезоэффекта, сопровождаемую акустоэмиссионной и дилатометрической аномалиями. Данная анизотропия пьезоэффекта является следствием микрорастрескивания образцов в направлении поляризующего поля [269].
Анализ нелинейной модели процесса переполяризации в пьезокерамике, подвергнутой сильным электромеханическим нагрузкам, показал, что в случае полной переполяризации сжимающие напряжения, возникающие вдоль направления поляризации, уменьшают внутренние напряжения и способствуют продлению времени жизни керамики [270].
В проблеме разрушения ПСК с другой стороны важным является вопрос - как влияет внешнее электрическое поле (ЭП) на развитие механического -разрушения. Практически во всех работах отмечается снижение прочности материалов [75,264,269]. В литературе встречается несколько подходов к объяснению наблюдающихся экспериментальных результатов.
ЭП может влиять на упругие константы, изменяя движение доменных стенок [271], что должно по Гриффитсу [16] приводить к изменению уровня разрушающих напряжений. Во внешнем электрическом поле модуль Юнга электрострикционной керамики 0,9PMN-0,1PT в направлении, параллельном полю, может уменьшаться более чем на 50%, а в направлении, перпендикулярном ему - лишь на 6%. Последнее значение опровергает мнение о независимости механических свойств керамики от направления -приложенного внешнего поля [272].
ЭП может влиять на прочность из-за возникновения анизотропии свойств при поляризации. Разрушающие напряжения в отдельном направлении снижаются, а в другом повышаются, а в итоге прочность поляризованного материала может измениться [75].
В [150] эффект влияния поляризации объясняется образованием и ростом микротрещин вследствие взаимодействия последних с перестраивающейся доменной структурой и дефектами [239,264]. Результаты измерения характеристик образца ПСК PZT-4 под действием различных комбинаций электрической и механической нагрузок указывают, что на рост трещин оказывает существенное влияние электрическое поле, а не только давление [273].
