Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Кинетика низкотемпературного хрупкого разрушения 19
1.1. Хрупкое и пластичное поведение твердых тел 19
1.2. Температурная зависимость разрушающих напряжений для хрупкого и пластичного состояний различных материалов 25
1.3. Долговечность металлов в хрупком состоянии 38
1.4. Температурно-временные зависимости прочности неориентированных линейных полимеров при низких температурах 47
1.5. Хрупкое разрушение монокристаллов полупроводников 53
1.6. Разрушение ионных монокристаллов . 62
Выводы 74
ГЛАВА 2. Релаксационная модель хрупкого разрушения 77
2.1. Общие положения модели 77
2.2. Экспериментальные наблюдения проявлений релаксации локальных напряжений в нагруженных хрупких телах 84
2.2.1. Рентгеновские исследования релаксации в кремнии и фтористом литии 86
2.2.2. Зарождение и движение дислокаций в кремнии под действием нагрузки 91
2.2.3. Релаксационные свойства начального участка кривой деформирования 103
2.3. Расчетная модель хрупкого разрушения 111
2.4. Анализ временной зависимости прочности хрупких тел при статическом нагружении 116
2.5. Обзор некоторых литературных данных по кинетике хрупкого разрушения. Влияние гидролиза на вид температурно-временных зависимостей прочности 126
Выводы 132
ГЛАВА 3. Роль скорости нагружения в разрушении хрупких тел 134
3.1. Влияние скорости нагружения (или деформирования) на прочностные характеристики 134
3.2. Учет скорости нагружения в релаксационной модели хрупкого разрушения 146
3.2.1. Ступенчатое нагружение 147
3.2.2. Линейно возрастающая нагрузка 151
3.2.3. Анализ зависимости бр(оо) 153
3.3. Методика проведения опытов с различной скоростью нагружения 154
3.4. Экспериментальное исследование скоростной зависимости разрушающих напряжений для цинка и кремния 158
Выводы 164
ГЛАВА 4. Релаксация напряжений и разрушение твердых тел при циклической нагрузке 166
4.1. Специфика разрушения и деформации при циклической нагрузке 166
4.2. Причины различия долговечности твердых тел при циклических и статических нагрузках 173
4.3. Релаксационная модель усталостного разрушения Г76
4.4. Экспериментальное подтверждение роли релаксационных процессов в усталостном разрушении 181
4.4.1. Исследование характеристик разрушения и деформации 181
4.4.2. Рентгеновсие и оптические исследования локальной релаксации 187
4.5. Эволюция дислокационной структуры и разрушение моно кристаллов Llr при циклическом растяжении и знако переменных нагрузках 193
4.5.1. Влияние знака деформации на кривые упрочнения и дислокационную структуру при одиночном скольжении 193
4.5.2. Усталостное разрушение 201
4.6. Расчет долговечности хрупких тел при циклическом одностороннем и знакопеременном нагружениях 213
4.7. Усталостное разрушение монокристаллов цинка при низких температурах 221
4.7.1. Циклическое растяжение с длительным отдыхом 221
4.7.2. Влияние длительности действия нагрузки в цикле на долговечность 224
4.7.3. Влияние соотношения времени отдыха и времени действия нагрузки на долговечность 225
4.7.4. Долговечность при знакопеременном цикле 22?
4.7.5. Особенности усталостного разрушения цинка в области перехода в хрупкое состояние 228
Выводы 229
ГЛАВА 5. Статистические аспекты кинетики хрупкого разрушения 232
5.1. Статистический анализ связи разрушающих напряжений и долговечности при циклической и постоянной нагрузках 232
5.2. Разрушение монокристаллов кремния при статическом и циклическом нагружении 241
5.2.1. Материал и методика исследования 241
5.2.2. Долговечность кремния при статическом нагру-жении 243
5.2.3. Усталостное разрушение монокристаллов кремния 243
5.2.4. Влияние структурных особенностей на кривые распределения долговечности 250
5.3. Разрушение монокристаллов цинка при Т = -120С и волокон из карбида кремния при комнатной температуре 252
5.4. Об энергии активации процесса разрушения хрупких тел 258
5.5. Исследование прочности и процесса разрушения кремниевых структур с диэлектрической изоляцией 269
5.5.1. Влияние внутренних напряжений в КСДИ на их прочность 270
5.5.2. Напряжения, возникающие при обработке КСДИ, и вероятность их разрушения 275
5.6. Влияние среды на усталостное разрушение синтетического корунда 281
5.6.1. Разрушение корунда при циклических нагрузках 282
5.6.2. Влияние среды на скорость обработки корунда - 285
5.6.3. 0 механизме разрушения корунда 287
5.7. Особенности статистической обработки результатов для зависимости долговечности от напряжения сложного вида 289
Выводы 293
Заключение 296
Литература 307
- Температурно-временные зависимости прочности неориентированных линейных полимеров при низких температурах
- Обзор некоторых литературных данных по кинетике хрупкого разрушения. Влияние гидролиза на вид температурно-временных зависимостей прочности
- Экспериментальное исследование скоростной зависимости разрушающих напряжений для цинка и кремния
- Расчет долговечности хрупких тел при циклическом одностороннем и знакопеременном нагружениях
Введение к работе
Разрушение и деформация материалов - древнейшие направления ', приложения человеческой деятельности - во все времена были и остаются одними из важнейших проблем науки. В настоящее время эти вопросы приобретают все большее значение в связи с усложнением конструкций, расширением условий, в которых приходится работать материалам (например, в космосе, под действием мощных излучений,
высоких и низких температур и дрО. Современные исследования мак-' роскопических характеристик разрушения и деформации, в основном, выполнены с позиций механики и не затрагивают физического механизма процесса. Исследования микроскопических характеристик (свойств микротрещин, дислокаций) положены в основу физических моделей процесса. Настоящая работа занимает промежуточное положение между этими двумя направлениями - в ней с физических позиций изучаются и анализируются макроскопические характеристики разру- ', шения и деформации и их взаимосвязь.
Вопрос о соотношении процессов разрушения и деформации в нагруженном теле в последние 10-20 лет часто дискутируется. Причем, многочисленные дискуссии скорее запутали его и стали даже цитироваться в юмористических изданиях. Попробуем вначале разобраться с терминологией, так как разное понимание используемых понятий является, с нашей точки зрения, одной из важных причин существующих разногласий. Очевидно, для каждого из явлений: разрушения и деформации - нужно дать по два определения, на микро- и макроуровнях, и сформулировать критерии перехода от микро- к макроявлению.
Под макродеформацией обычно понимают изменение формы тела, причем в изменение формы входит не только изменение внешних очер-
*» 7 -
таний, но и вообще любое смещение отдельных частей тела относи- i тельно других, даже если внешние очертания сохраняются. Так, при кручении цилиндра внешняя форма может остаться неизменной, однако цилиндр деформируется, в чем легко убедиться, например, по искажению сетки, предварительно нанесенной на его поверхность, или другими методами. Деформация - тензор, характеризуемый в общем случае шестью компонентами: тремя удлинениями и тремя сдвигами. Изменение их во времени определяет тензор скоростей процесса де-! формирования. Деформация может быть функцией координат, например, локализована в отдельных частях тела. Причиной этого являются не только особенности напряженного состояния и структуры тела, но и свойства самого процесса деформирования (например, случайные ускорения или замедления деформирования отдельных участков тела и др.).
'Деформация на микроуровне - это те процессы, про которые известно, что они могут давать вклад в макродеформацию. Для неупругой деформации в кристаллах такими процессами являются движение точечных дефектов, дислокаций, дисклинаций, двойникование, фазовые превращения, образование трещин и т.д. Как правило, вклад одного из перечисленных процессов превалирует. Поэтому сопоставление микро- и макродеформирования начинается с выделения этого ведущего процесса. Для подавляющего большинства случаев деформации показано, что основной вклад в макродеформацию вносят дислокации. Связь скорости макроскопической деформации 6 с характеристиками микродеформации выражается соотношением:
l-ftVt (вл)
где р - плотность, о - величина вектора Бюргерса, V - ско-
рость дислокации.
При описании движения дислокаций в тензорной форме это выражение усложняется, и для определения макроскопической пласти-
/I/
ческой дисторсии вводится тензор третьего ранга ' ':
Уцг-Ы***^*^^
(В.2)
— а
где V-V(\гъ) - скорость движения дислокации, имеющей на- < правление п, и вектор Боргерса і , /\ - функция распределения дислокаций, a ol - телесный угол, внутри которого они находятся.
конечно, теория неупругой деформации еще далека от заверше-ния. Предлагаемые модели часто являются сильно упрощенными. В большинстве из них деформация описывается поведением некоторой "средней" дислокации (дислокации с усредненными параметрами), а роль остальных сказывается в создании внутреннего поля напряжений. В более последовательных теориях описываются коллективные
/2 3/ свойства дислокаций, поведение дислокационных ансамблей '*->"',
возникают новые методы описания деформации, например, моделиро- , вание на ЭВМ '4""b/, новые "элементарные" носители деформации (дисклинации для больших деформаций '?>') или старые носители наделяются новыми свойствами (дислокации в аморфных телах' »0. Таким образом, теория деформации непрерывно развивается, но неизменными остаются основополагающие понятия: характеристики деформации на макро- и микроуровнях (к последним могут только добавляться новые) и способы учета элементарных актов в характеристике макропроцесса, то есть величине (скорости) деформирования.
Значительно меньше ясности в понимании аналогичных вопросов, связанных с разрушением. Макроразрушение обычно определяют как разделение тела на части. В таком определении отражен лишь конечный результат действия какого-то процесса, приведшего к разделению тела на части. Если принять это определение, то в отличие от макродеформации, макроразрушение - это не процесс, и нельзя говорить о скорости макроразрушения. Строгое следование этому определению приводит к воззрениям, нацело отрицающим существование разрушения как процесса и сводящим его к критическому событию, то есть к достижению в результате идущего под действием нагрузки процесса пластической деформации некоторого предельного состояния ' '. В ряде работ, где делается попытка рассмотреть это предельное состояние с точки зрения физики разрушения, оно отождествляется с достижением некоторой предельной деформации /^-^/, Иногда при этом выделяют какой-либо конкретный механизм деформации. Например, в /ІЬ~1^/ для области развитой пластической деформации накопление искажений решетки и образование микротрещин происходит при увеличении относительных разворотов фрагментов в результате движения дисклинаций. В блочных структурах, образующихся при ползучести, возникают отдельные болынеугловые границы, которые могут привести к некоторой предельной разориентации и явиться очагом разрушения /ІУ><:и/. Таким образом, возможно создание в результате пластической дефор-
к' Точнее, можно говорить о скорости разделения тела на части, то есть скорости распространения макротрещины в разрушающемся теле, но сводить разрушение только к этому процессу было бы явно не достаточно.
мации предельных состояний, приводящих к разрушению тела. Однако, ясно, что даже если критерий предельной деформации, предшествующей разрушению, и существует, то он носит весьма ограниченный характер и может быть справедлив только в узком диапазоне изменений условий опыта. Так, пластическая деформация сама по себе может и не создавать искажений (например, одиночное скольжение ' ', миграция больше- и малоугловых границ t **-&/ и др.), наоборот часто проявляется обратная ее функция, релаксационная, которая объединяет различные явления, называемые возвратом ' '.\ Далее, можно привести ряд примеров, когда пластическая деформация могла бы продолжаться практически бесконечно и ограничена
только формой испытываемого образца (некоторые случаи одноосно-
/27/
го сжатия ' ' , явление сверхпластичности при растяжении и кручении ' , совместное действие растягивающей силы и всестороннего сжатия ' ' и др.).
По-видимому, не является всеобъемлющим и другой критерий макроразрушения, связывающий микроразрушение с элементарными разрывами сплошности (разрывами связей, зарождением микротрещин) , а переход к развитию магистральной трещины и разделению тела на части - с достижением некоторой предельной концентрации микротрещин ' ' . По существу он мало отличается от представлений о предельной деформации, так как макроразрушение также связывается с достижением некоторого предельного состояния. А если учесть, что при раскрытии микротрещины обязательно должна происходить релаксация неоднородно распределенных вокруг нее напряжений, что проявляется в локальной пластической деформации, то близость рассматриваемых двух критериев становится совсем очевидной. Различие их состоит в том, что в последнем микроско-
- II *
пический механизм разрушения - это образование микротрещин - то, , что обычно называют микроразрушением - с последующим их накопле- \ нием, в первом - процесс на микроуровне называют деформацией. ^Однако такое четкое разделение на микродеформацию и микроразрушение является условным.^ Как уже отмечалось, один и тот же процесс может приводить и к образованию трещин, и к локальной деформации. Известно также, что связь макроразрушения с микротрещинами не всегда однозначна: при сжатии, как и при растяжении, \ возникает множество трещин Сем. наблюдения рассеяния света ' ' . и данные по дефекту плотности /3&-o7/x))^ ш разделения на части может не произойти. G другой стороны, разделение на части при растяжении может быть чисто геометрическим эффектом соскальзывания по наклонной плоскости скольжения (монокристаллы, высокие температуры). Нарушение связи между микроразрушением и разделением на части можно увидеть в сверхпластичных материалах.
Итак, в проблеме разрушения нет той терминологической точ-ности, которая присутствует в описании деформирования. Существующая практика использования понятия разрушение позволяет предложить два пути введения определений.'Первый - исходить из микро-скопики, то есть разрушением называть процесс образования элементарных микротрещин, их рост и накопление. Тогда для тех случаев, для которых будет доказано, что развитие этого процесса д привело к разделению тела на части, можно говорить о макроразру- '( шении, в остальных случаях разделение на части не называть разрушением. Например, не называть разрушением разделение на части
х' По данным ' ' изменение плотности при сжатии для равных деформаций даже больше, чем при растяжении.
-12 ~
монокристаллов при растяжении, когда сечение в месте разрыва представляет собой точку или линию. Такой подход развивается в /со/т Недостаток этой точки зрения заключается в невозможности, располагая только макроскопическими характеристиками, установить, с разрушением мы имеем дело или нет. Поскольку физический смысл предельного состояния полностью не ясен, то не известно, каковы должны быть его признаки (сам факт наблюдения трещин, как уже указывалось, не может служить доказательством его причастности к разделению тела на части). Время до разрушения образца по существу относится к действию микропроцесса и самостоятельного значения, такого, как, например, скорость пластической деформации тела, не имеет.
Второй путь введения определений в проблеме разрушения -исходить из макроскопики, то есть так, как это делается для пластической деформации. Разрушением будем называть любой процесс, приводящий к разделению тела на части. Так же, как и для деформации, вклад в этот процесс могут давать различные микроскопические процессы: зарождение и рост трещин Сза этим процессом можно оставить термин микроразрыв или локальное разрушение), образование дислокационных скоплений, движение дисклинаций, приводящие к созданию больших разворотов, и т.д. Вероятно, для многих конкретных случаев разрушения можно выделить один процесс, определяющий его кинетику.
В предлагаемой терминологии макроразрушение и макродеформации - это по определению разные, не связанные друг с другом про-' цессы Сза исключением разрушения при постоянной макроскопической деформации). Микропроцессы, ответственные за деформацию и разрушение, могут быть одними и теми же, различными, взаимосвязанными
- ІЗ -
или независимыми - все это с большей или меньшей достоверностью можно установить, комбинируя исследования микро- и макрохарактеристик разрушения и деформации.
Одним из преимуществ подобного определения разрушения является то, что оказывается возможным величине долговечности придать самостоятельный смысл, не связанный с конкретным микропроцессом, то есть сделать ее такой же по смыслу, как скорость пластической деформации. Введем скорость макроразрушения
1/ (б 7* 6*"у5) С б" ~ внешнее напряжение, Т - температура, б"* - эффективные напряжения, зависящие от степени их локализации, о - параметр "памяти", учитывающий возможность торможения разрушения в одном месте и ускорение в другом) следующим образом: если &,Т7 6Г*- &>n*t , то для сечения, где произошло разрушение Ур*1/% . Тогда по аналогии с деформацией, если б, Г, 6** cc*vU на некоторых промежутках времени ДЧ , то ? Ц>й t ~ * » а Для непрерывно изменяющихся параметров jVf(t)oit = I oU/T(t) = / . Таким образом, извест-
О о
ный принцип суперпозиции или линейного суммирования повреждаемостей получается здесь как следствие принятых определений, а величина, обратная долговечности, имеет смысл некоторой усредненной скорости макроразрушения.
В настоящей работе изучена кинетика макроразрушения. Основное внимание уделялось хрупкому разрушению, то есть такому, когда макродеформация мала или вовсе отсутствует (доказательств отсутствия микродеформации нами не получено и, насколько нам известно, в литературе нет данных, достоверно подтверждающих разрушение без хотя бы очень локализованной пластической деформации). Поскольку в нагруженном хрупком теле деформация мала, то,
казалось бы, хрупкое разрушение является идеальным случаем для изучения его кинетики. Однако кинетика хрупкого разрушения изучалась ранее недостаточно. Более того, до сих пор преобладает точка зрения о хрупком разрушении как о критическом, не зависящем от времени процессе /Jy/. Нами показано, что это не так. Локальная пластическая деформация в условиях постоянной нагрузки оказывает тормозящее действие на разрушение, что приводит в некоторых случаях к вырождению кинетических свойств разрушения. Однако изменение условий нагружения может наглядно продемонстрировать его кинетический характер. Выявление кинетики хрупкого разрушения, объяснение ее особенностей - основная цель настоящей работы.
Актуальность решаемых задач вытекает из того очевидного факта, что знание особенностей механизма разрушения позволяет более надежно прогнозировать его. Вопрос о прогнозировании хрупкого разрушения стоит особенно остро, поскольку оно всегда неожиданно - нет макроскопической пластической деформации, которая предупреждала бы о предстоящем разрушении. Задача о прогнозировании может решаться на разных этапах работы конструкции. Первый - прогнозирование на стадии проектирования, включающий выбор материала, типа конструкции и др. Прогноз на этой стадии будет тем более верным, чем точнее выбранная модель отражает явление. Далее, когда конструкция уже построена, можно прогнозировать время или вероятность ее разрушения, ориентируясь на уже отработанное время и возможность изменения внешних условий. Применяемый для этой цели метод акустической эмиссии и приемы, разработанные в настоящей работе, могут успешно дополнять друг друга.
Использование физических представлений о кинетике хрупкого
~ 15 -
разрушения позволит более надежно строить модели механики разрушения, которые учитывают конкретные условия работы конструкции: наличие концентраторов, влияние вида напряженного состояния и др.
'Новое научное направление, развиваемое в настоящей работе, можно сформулировать как установление основных физических закономерностей кинетики хрупкого разрушения, включающее экспериментальное обнаружение макроскопических проявлений кинетики хрупкого разрушения, исследование общих черт с кинетикой пластичного разрушения и особенностей хрупкого разрушения, выявление роли локальной пластической деформации в кинетике хрупкого разрушения, разработка модели, позволяющей объяснить и прогнозировать различные его случаи^
На защиту выносятся следующие положения:
Общие закономерности макроскопических проявлений кинетики разрушения хрупких тел разной природы (металлов, полимеров, полупроводников, ионных кристаллов и др.) при статическом и циклическом нагружении. Особенности температурной и скоростной зависимостей разрушающих напряжений для хрупких тел.
Определяющая роль локальной пластической деформации в кинетике хрупкого разрушения, которая при длительном действии нагрузки приводит к релаксации локальных напряжений и тем самым тормозит разрушение, что подтверждается исследованиями структуры с помощью рентгеновских и оптических методик.
Развитая в работе модель хрупкого разрушения, предсказывающая существование при статическом нагружении зависимости долговечности от напряжения, близкой к вертикали, и излом на ней в области перехода в пластичное состояние, в некоторых случаях малую вероятность наблюдения долговечности в доступном в опыте ин-
тервале ее измерения.
4. Расчет усталостного разрушения по той же модели, позволяющий связать скорости разрушения для циклов различной формы, а также статическую долговечность с циклической. Предложение об использовании циклического нагружения для наиболее надежного выявления кинетики хрупкого разрушения и о возможности определения ак-тивационных характеристик процесса разрушения по данным усталостных испытаний. Величины энергии активации разрушения различных хрупких тел (для большинства из них другими способами определить эти характеристики невозможно) и предположения о механизме процесса, ответственного за разрушение.
'5. Анализ зависимости разрушающих напряжений от скорости нагружения, учитывающий релаксацию локальных напряжений в процессе нагружения. Выделение трех интервалов изменения скорости с разным уровнем развития релаксационных процессов.,
6. Разработанные приемы статистической обработки результатов измерения долговечности для материалов с большим разбросом экспериментальных данных и описание кривой распределения долговечности. Связь ее с кривой распределения прочности. Методы прогнозирования вероятности разрушения при статическом и циклическом нагружении.
Научная новизна заключается прежде всего в том, что основной экспериментальный материал, приведенный в работе, является оригинальным. Это относится к результатам исследования монокристаллов кремния при статическом и циклическом нагружении, корунда, волокон из карбида кремния, кремниевых структур, монокристаллов фтористого лития с выделенной для одиночного скольжения зоной, цинка при усталости с различной формой цикла и др. Многие
~ 17 -
из примененных методик разработаны в настоящей работе. Так, использование осесимметричного изгиба круглых пластин с центральной приложенной силой стало возможным, поскольку напряжения в них определялись экспериментально рентгеновским методом. На пластинах кремния, нагруженных центральной силой, достигнута прочность порядка 8 ГПа, что значительно превышает известные значения для массивных образцов и примерно равно прочности "усов" и теоретической прочности кристалла. Оригинальной является установка для исследования усталости волокон при изгибе и др. Большинство из доказательств кинетического характера хрупкого разрушения, полученных при исследовании структуры и сравнении долговечности при статическом и циклическом нагружении, ранее не были известны. Ряду экспериментальных результатов других авторов, например, связанных с действием агрессивной среды, дана новая трактовка.
Новизна работы также в том, что, хотя идея о заторможенности релаксационных процессов часто привлекалась для объяснения отдельных случаев хрупкого и усталостного разрушения, построенная на ее основе модель значительно расширяет возможности в трактовке хрупкого разрушения. Она позволяет связать разрушение при статической и циклической нагрузке, описать все наблюдаемые аномалии как в температурной и скоростной зависимости разрушающих напряжений, так и в ходе зависимости долговечности от напряжения и температуры. Модель дает возможность рассчитать актива-ционные характеристики разрушения хрупких материалов (для многих из них эти величины ранее не были известны), намечает пути прогнозирования хрупкого разрушения при длительном действии нагрузки. Последнее обусловливает практическую значимость работы. При-
меры конкретного использования результатов настоящей работы для целей прогнозирования разрушения приведены в пятой главе.
Другая возможность практического использования результатов заключается в применении для определения склонности материалов к хрупкому разрушению методов, разработанных в работе для анализа релаксационных свойств локальной деформации на участке микропластичности. Чем интенсивнее развиваются микропластические деформации, приводящие к релаксации упругих искажений в отдельных частях нагруженного тела, тем менее оно склонно к хрупкому разрушению. Особенности начальных этапов развития деформации обсуждаются во второй главе.
Температурно-временные зависимости прочности неориентированных линейных полимеров при низких температурах
Разрушение принято называть хрупким, если ему предшествует малая пластическая деформация. Очевидно, подобное определение не является строгим, и понятие "малая деформация" нуждается в уточнении. Деформация образца в целом может быть малой, но локальная деформация в месте разрушения большой. Это часто имеет место при разрушении образцов с надрезом. В этом случае локализация деформации задается внешним концентратором. Аналогичным образом могут действовать внутренние концентраторы, например, частицы твердой фазы, около которых развиваются большие локальные деформации, в то время как общая деформация образца может быть незначительной. Причины малой макроскопической деформации бывают разные. Так, хрупко разрушаются некоторые материалы при высокотемпературной ползучести, когда в процессе деформации происходит выпадение малопластичных фаз по границам зерен, что приводит к межзеренному разрушению без заметной пластической деформации. Отсутствует остаточная деформация при знакопеременном циклическом нагружении, хотя на отдельных фазах цикла деформация может быть велика. Наконец, классическим видом хрупкого разрушения является низкотемпературное разрушение кристаллов по плоскостям спайности, называемое сколом. Каждый из перечисленных случаев разрушения имеет свои особенности. Разнообразие видов хрупкого разрушения породило стремление классифицировать их, с тем чтобы подробно описать каждый вид разрушения в отдельности. Различные классификации разрушения предлагались неоднократно /40-43/ Во-первых, были выделены в особые типы разрушения случаи усталостного разрушения и разрушение при высокотемпературной ползучести. Разделение здесь, следовательно, осуществлялось по способу нагружения. Затем разрушение при наиболее распространенном способе нагружения, с постоянной скоростью деформирования, пытались классифицировать по величине деформации. Так появились термины полухрупкое разрушение (в настоящее время чаще используется термин квазихрупкое) и истинно или абсолютно хрупкое -4о/в g возможности существования последнего для кристаллов высказывал определенные сомнения еще в 1937 г. А.В.Степанов, который считал, что хрупкое разрушение кристаллов возникает в результате пластической деформации, а дефекты, имеющиеся в исходном состоянии, могут лишь облегчать зарождение деформации и последующего разрушения . Действительно, существуют ли тела, у которых невозможно обнаружить хотя бы локальной пластичности? Долгое время идеальным хрупким телом считалось стекло. Однако, начиная с работ и затем /4a»49/j стало известно о микропластичности стекла в области хрупкого разрушения. То же самое можно сказать о монокристаллах полупроводников /ои, Л По мере совершенствования методов обнаружения деформации (особенно локальной) к твердым телам с зарегистрированной деформацией переходили все новые и новые материалы. В настоящее время, по мнению авторов , только алмаз и карбид кремния можно считать полностью хрупкими телами. У первого методами рентгеновской топографии и оптической микроскопии не обнаружено следов пластической деформации, предшествующей разрушению ъ &б/ у ВТОрОГО по данным критическая скорость освобождения упругой энергии при распространении трещины G c близка к поверхностной энергии шв и не изменяется при нагревании до Ю00С. Не исключено, однако, что по мере совершенствования методов обнаружения локальной пластической деформации она будет обнаружена и в алмазе, и в карбиде кремния, и тогда класс абсолютно-хрупких тел перестанет существовать. Некоторые основания к этому уже имеются, так как, например, в отношении кинетики разрушения при циклической нагрузке карбид кремния принципиально не отличается от других хрупких тел, таких, как корунд, кремний и др. (см. гл.5).
Кроме упомянутых признаков разрушения (величины пластичес кой деформации и способа нагружения), в основу предлагаемых классификаций разрушения были положены также структурные призна ки (внутризеренное и межзеренное разрушение), ориентировка мак роскопической поверхности разрушения и ее изменение при изменении вида напряженного состояния, различие в чувствительности к внеш ней среде, в степени локализации разрушения, в микромеханизме разрушения, анализ которого проводится по результатам исследова ния поверхности излома . Классификация по последнему при знаку стала широко использоваться в связи с успехами сканирующей электронной микроскопии. Современные представления о видах по верхности излома обсуждаются в работах В.И.Трефилова, Ю.В.Миль мана, С.А.Фирстова, В.В.Рыбина, В.А.Лихачева /43»55-58/в В объединены два признака разрушения: место распространения трещины - по телу или по границе зерна (субзерна) - и вязкость разрушения (в зависимости от величины деформации, сопровождающей растущую трещину, разрушение может быть хрупким, квазихрупким и вязким). Таким образом, получается шесть типов разрушения, причем в названии четырех из них фигурирует слово "хрупкий". При хрупком разрушении трещина распространяется упруго, на изломе не видно следов пластической деформации, а величина энергии у в формуле Гриффитса /ЙУ ьи/
Обзор некоторых литературных данных по кинетике хрупкого разрушения. Влияние гидролиза на вид температурно-временных зависимостей прочности
В анализируется связь температур, соответствующих изломам зависимостей разрушающих напряжений, величин деформаций с особенностями молекулярной подвижности полимеров. Показано, что любое изменение молекулярной подвижности, определяемой методом ЯМР, находит отражение на температурных зависимостях механических свойств полимера (рис.14). Следовательно, по мере оживления при некоторых критических температурах колебаний определенных звеньев полимерной цепи последовательно включаются в деформацию новые и новые механизмы, и материал делается все более пластичным. Если первые низкотемпературные механизмы деформации затрагивают малые объемы или величины деформации, которые могут быть реализованы с их помощью, малы, то полимер обладает несколькими "температурами хрупкости", то есть может разрушаться хрупко после малой, но различной в различных температурных областях деформации. Эта же идея высказывается по отношению к поликристаллическим металлам в , где вводятся две температуры хрупкости - одна для хрупкого разрушения внутри зерна, другая - для разрушения по границе зерна. При этих температурах наблюдаются аномалии в температурной зависимости разрушающих напряжений, аналогичные приведенным выше.
Итак, из температурной зависимости разрушающих напряжений следует, что вблизи вязко-хрупкого перехода всегда наблюдаются аномалии, подобные схематически изображенным на рис.2 к Конкретная причина перехода в хрупкое состояние у разных материалов различна и не во всех случаях достоверно установлена. Однако общей причиной хрупкости всегда является недостаточное развитие релаксационных (деформационных) процессов, с помощью которых могла бы рассасываться неоднородно распределенная упругая энергия нагруженного тела. Ниже будет рассмотрено, как это сказывается на величине времени до разрушения (долговечности) при постоянных напряжении и температуре - характеристике, которая в принятой терминологии Сем. введение) является основной при анализе кинетики процесса разрушения.
Разрушение пластичных металлов под действием постоянной нагрузки известно еще с двадцатых годов этого столетия по работам Вельтера /- /. На разрушение хрупких материалов, протекающее во времени, впервые обратили внимание в 40-50-е годы в связи с участившимися случаями аварий стальных конструкций: мостов, танкеров, трубопроводов, разрушениями латунных изделий при хранении и др. Такое разрушение получило название задержанного (замедленного) разрушения или статической усталости. Его объяснение строилось на двух гипотезах, выдвинутых при описании обнаруженных несколько ранее случаев разрушения стекла. Первое объяснение, предложенное Орованом , связывало временной характер разрушения с действием внешней среды. В дальнейшем исследования роли агрессивной среды в разрушении очень интенсивно развивались. При шенных температурах, когда в некотором интервале температур пластичность падает, например, из-за процессов старения. Развиваемый ниже подход к анализу кинетики разрушения может быть использован и в этом случае. Этом обсуждалось как коррозионное действие среды, химически взаимодействующей с материалом нагруженного тела, так и поверхностно-активное ее действие, когда сорбированные молекулы снижают поверхностную энергию и в соответствии с теорией Гриффитса уменьшают разрушающее напряжение. Примерами коррозионного разрушения металлов являются разрушение стали ШХІ5 в воде , стали с 0,2 в 30% растворе азотнокислого аммония 1иу/, латуни в воздушной среде и в парах аммиака и многие другие случаи, подробное описание которых можно найти в . К этому же типу разрушения относится и так называемое водородное охрупчивание, наблюдаемое у некоторых конструкционных сталей и титановых сплавов /108,112,113/
Поверхностно-активное действие среды подробно изучалось в работах школы П.А.Ребиндера » , а также многих других работах (см., например, /64,115,116 Второе объяснение, предложенное Маргетройдом , связывало задержанное разрушение с гетерогенностью структуры. Если материал состоит из жесткой и вязкой составляющих, то из-за течения вязких областей, приводящего к их частичной разгрузке, перегружаются жесткие элементы структуры. Когда напряжения в них достигнут уровня разрушающих, трещина, стартовав от наиболее опасного дефекта, мгновенно (со скоростью звука) прорастает на все сечение образца. В дальнейшем это объяснение было распространено на случаи любой структурной неоднородности, вызванной, например, закалкой, предварительным нагружением и др. Так, С.С.Шура-ков /iiti»iiy/ наблюдал временную зависимость прочности стали ЗОХНЗА только в закаленном состоянии, отпуск приводил к значительному уменьшению вероятности задержанного разрушения. В описываются опыты на образцах из стали ЗОХГСА с предварительно созданными трещинами. В наблюдали медленный скачкообразный рост трещин по границам зерен в стали. Перенапряжения на участках быстрого роста трещины создавались иглами мартенсита , выходящими на границу зерна, остановки трещины связывались с пластической релаксацией в благоприятно ориентированных местах тела зерна. Таким образом, идея о гетерогенности исходной структуры постепенно трансформировалась в предположение о любой неоднородности, в том числе и возникающей в результате нагружения . В связи с этим заметим, что изменяющееся неоднородное распределение напряжений в теле может привести к совершенно различным проявлениям кинетики разрушения.
Экспериментальное исследование скоростной зависимости разрушающих напряжений для цинка и кремния
Как показано в работах » , к охрупчиванию цинка приводит не только понижение температуры, но и действие поверхностно-активных веществ (рис. 17 ,). Несмотря на иную физическую причину хрупкости, внешне вид зависимостей W в пластичном и хрупком состоянии подобен описанным выше.
Изменение напряженного состояния сказывается на температуре перехода в хрупкое состояние (это уже отмечалось в предыдущем параграфе) , но не изменяет вида зависимости долговечности от напряжения. На рис.16г показаны долговечность и скорость ползучести поликристаллического отожженного цинка при кручении. При комнатной и более высоких температурах зависимости Ц { ) наклонные Св отличие от растяжения (рис.16а) температура перехода при кручении ниже комнатной), при -30G и более низких температурах наблюдаются зависимости &Т(б) , близкие к вертикалям, и значительно увеличивается разброс разрушающих напряжений.
Нами также испытывались цинковые образцы на сжатие. При -Ю0С и более высоких температурах они деформировались пластично и не разрушались. Если же понизить температуру, то и здесь происходило разрушение, причем, как и при кручении, разброс разрушающих напряжений был очень велик.
Таким образом, в области хрупкости выражения (1.4) и С1.5) с параметрами 7 , 80 , U0 и % , не зависящими от условий испытания (Г , Т ), неприменимы. В то же время небольшая ползучесть и конечное время до разрушения свидетельствуют о развитии процессов деформации и разрушения во времени. Для макроскопической деформации это очевидно, для разрушения же, поскольку фиксируется только конечный результат, следует доказать, что оно подготавливается за время пребывания образца под нагрузкой, а не является критическим событием, связанным, например, со случайными перегрузками, вызванными колебаниями установки, вибрациями фундамента и др., к которым особенно чувствительно хрупкое разрушение.
Для определения величины колебаний нагрузки последовательно с образцом устанавливался упругий динамометр, показания которого записывались на самописце и осциллографе. По результатам измерения числа скачков нагрузки, превышающих заданную величину, рассчитывалось распределение перегрузок (рис.18). Эти опыты показали, что величина наибольших перегрузок не превышала 1% от приложенной нагрузки. В момент разрушения заметных пиков перегрузки не наблюдалось (рис.19). Поэтому можно сделать вывод, что задержанное хрупкое разрушение не есть результат случайного увеличения нагрузки, а определяется внутренними процессами.
Активационные характеристики процесса ползучести в области перехода цинка в хрупкое состояние можно оценить с помощью дифференциальных методов , которые не требуют точного знания вида функции (б) . Опыты проводились на монокристаллах цинка, скачки температуры составляли Л = 23 (от комнатной до 0С), скачки напряжений Д э = 5 10 МПа. По отношению скоростей ползучести до и после скачка температуры или напряжения было получено U (6) = (0,77 ± 0,04) эВ;(эи/дбОт= (12 ± 1).10-22 см3. Ограничиваясь в разложении Щ&) только двумя первыми членами, получим энергию активации 0 = (1,3 і 0,1) эВ. Аналогичный метод был использован и для оценки активационных характеристик процесса разрушения. Будем считать, что в выражение для скорости разрушения входит множитель p(-U( )/ l) , а долговечность обратно пропорциональна скорости разрушения. Если теперь одновременно испытывать два образца: один при постоянных б и Т , а для другого температура (или напряжение) претерпевали небольшой скачок лТ или дб , то, заменив в выражениях для U, к(ди,/д( )т(сы. ) на /х » получим:
Здесь "f и "г - время до разрушения соответственно при температурах Т и Т + йТ ) Опибка, связанная со случайной разницей в структуре двух образцов, уменьшалась выбором пар, у которых кривые ползучести до скачка практически совпадали. Рассчитанная таким способом энергия активации разрушения в области хрупкого перехода оказалась равной (1,2 - 0,1) эВ.
Таким образом, при переходе в хрупкое состояние сохраняется временной характер процесса разрушения. Энергия активации деформирования и разрушения остались примерно такими же, как и в пластической области. Это дает основание предположить, что наблюдаемые аномалии зависимостей долговечности от напряжения в хрупком состоянии не есть результат из1/юнения_метани.эма Щ2 шшя.
Характерные особенности хрупкого разрушения наиболее явно проявляются у полимеров в стеклообразном состоянии (ниже температуры стеклования U ) Переходу в хрупкое состояние полимеров, как и других твердых тел, способствуют низкие температуры, боль к Время до скачка в наших опытах было значительно меньше -, Т , и мы им пренебрегали;/ ) измерялось при скачке шиє скорости нагружения, большие напряжения в опытах с постоянной нагрузкой, наличие растягивающих компонент тензора напряжений.
Расчет долговечности хрупких тел при циклическом одностороннем и знакопеременном нагружениях
Известно, что хрупкое разрушение очень чувствительно к состоянию поверхности образцов. Можно было предположить, что некоторые особенности кинетики хрупкого разрушения обусловлены состоянием поверхности. Однако контрольные опыты, проведенные на образцах полиметилметакрилата с различной обработкой поверхности (шлифованных, полированных), а также предварительно деформированных образцах, показали, что изменяется абсолютное значение разрушающих напряжений (напряжений, вызывающих разрушение за данное время, то есть б" при = ccmyt ), но характер зависимостей долговечности от напряжений остается прежним /- /.
Формально изменение обсуждаемых зависимостей в широком диапазоне температур можно связать с непостоянством констант в формуле (1.4). Традиционные способы оценки этих констант предполагают выполнение (1.4). Тогда энергия активации М(ъ) определяется для разных напряжений и температур либо по наклону прямых в координатах А? - /Т , либо по легко получаемой из (1.4) формуле:
Коэффициент Uv находят экстраполяцией прямой U(G) на нулевое значение напряжений. Однако для неориентированных полимеров эти способы могут давать разное значение U.0 , особенно при повышенных температурах, то есть там, где полимер испытывает достаточно большие деформации, и зависимости наклонные и подчиняются С 1.4). Например, для полиметилметакрилата энергии U c , рассчитанные первым и вторым из описанных выше способов, дают в области температур -20 ?- 50С соответственно 2,4 и 1,3 эВ, поливиниловый спирт в области температур 20 f 60G - 2,6 и 1,1 эВ. 0 трудностях определения величин Uo , у и L о и об их условнос /133/ ти для полимеров говорится в .
При понижении температуры для многих полимеров (например, для полиметилметакрилата, поливинилэтилаля, поливинилформаля и полистирола ) разрушающие напряжения, начиная с некоторой температуры, перестают возрастать, то есть наблюдается своеобразная "граница прочности". В то же время зависимость долговечности от напряжения близка к вертикали, что порождает представление о критическом характере разрушения в хрупкой области. Однако, для полимеров с большой вероятностью можно в некотором (правда, узком) диапазоне напряжений измерить в опыте долговечность, время до разрушения образцов различно, и это указывает на кинетический характер разрушения.
Выше отмечались трудности определения активационных характеристик разрушения полимеров. Анализируя данные для полиметилметакрилата, приведенные на рис.20а, Г.М.Бартенев оценил энергии активации в пластичном и хрупком состоянии как 1,2 и 8,7 эВ соответственно, предполагая справедливость (1.4) и постоянство коэффициента V в процессе испытания icJ4/. Исходя из полученных значений энергии активации, был сделан вывод о том, что разрушениє в низкотемпературной области определяется групповым разрывом связей в молекуле полимера, а в высокотемпературной - последовательным разрывом одиночных связей. Особенности температурно-вре-менных зависимостей прочности полимеров, которые наблюдаются при переходе в хрупкое состояние, объясняли также изменением структурно-чувствительного коэффициента v в формуле (1.4) Л В этом случае появление "границы прочности" можно объяснить слабой зависимостью прочности от температуры, вызванной ростом коэффициента )f с понижением температуры.
Изменение вида напряженного состояния не приводит к качественно новым результатам. На рис. 20г приведены данные для полистирола, полученные при кручении, в виде зависимости долговечности от наибольших растягивающих напряжений (или наибольших касательных напряжений, так как при кручении они равны). Нетрудно видеть, что характер кривых тот же, что и при растяжении полимеров. При низких температурах у полистирола и в условиях кручения наблюдается "граница прочности", а прямые АТ(6} превращаются в вертикали. Все трудности, возникающие при оценке энергии активации, остаются и в случае кручения/ Совпадение долговечностей и характера расположения кривых долговечности при кручении и растяжении полиметилметакрилата и эбонита, полученное в , говорит в пользу одинаковых механизмов разрушения при этих двух видах напряженного состояния,.
Интересно отметить, что у полистирола, весьма хрупкого материала, наблюдается рост прочности с понижением температуры вплоть до - 130С. Ниже -130С зависимость прочности от температуры слабо выражена (рис.20г). Прямые долговечности, относящиеся к +40, +22 и -20С идут с некоторым наклоном.
Сравнивая зависимости долговечности от напряжения для металлов и полимеров в хрупком состоянии, можно заметить, что принци-пиальных различий между ними нет. Так же, как и для металлов, на зависимости Т(6") иногда влияет среда, в чем можно убедиться на примере нитроцеллюлозы , вид напряженного состояния и др. Но характерные черты этой зависимости: наличие изломов и большой наклон к оси абсцисс - проявляются на полимерах, пожалуй, более отчетливо, чем на металлах.
