Введение к работе
Актуальность темы. Механическое разрушение кристаллических тел обусловлено появлением и развитием трещин. Устранение последних или частичное их заживление позволяет увеличить надежность и долговечность конструкций, сохранить их прочностные характеристики.
К настоящему времени накоплен определенный объем экспериментальных данных и определен ряд закономерностей, характерных для залечивания пор и трещин в различных материалах.
Несмотря на значительный интерес к проблеме «залечивания» трещин, пор, усадочных раковин и т.д., количество работ, посвященных восстановлению сплошности в прозрачных диэлектриках относительно невелико. В них практически не затрагиваются физические процессы, происходящие при схлопывании трещин без воздействия каких-либо внешних факторов. Есть лишь единичные попытки рассмотрения механизмов восстановления нарушенных межатомных связей. До настоящего времени остается достаточно много неизученных вопросов в заживлении трещин, в частности, касающихся факторов и условий, при которых залечивание происходит наиболее интенсивно. В известных работах не анализировалось влияние геометрического фактора, обратимой пластичности в вершине залечиваемой трещины, степени ювенильности соединяемых поверхностей и т.д.
В связи с изложенным, проведение исследований, направленных на восстановление сплошности материала актуально не только в научном плане, но и в практическом аспекте.
Цель и задачи исследования. Работа посвящена экспериментальному и аналитическому исследованию процесса самозалечивания трещины несимметричного скола в щелочногалоидных кристатлах (ЩГК), а также установлению условий и факторов, интенсифицирующих восстановление разрушенных связей или препятствующих этому.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
-
Экспериментально исследовать кинетические закономерности разрушения и самозалечивания трещин в щелочногалоидных кристаллах при асимметричном сколе. Установить взаимосвязь между дислокационной структурой в вершине остановившихся трещин, величиной ее пластического раскрытия и качеством залечивания.
-
Изучить влияние электромагнитного излучения различных длин волн, от теплового до рентгеновского, на качество залечивания, его кинетические характеристики, величину обратимой пластичности и выяснить возможный механизм воздействия электромагнитного излучения на процесс самозатечивания трещин асимметричного скола.
-
Определить роль ювенильности поверхностей в процессах восстановления ионных связей и критическое время раскрытия трещины, при котором ее поверхности остаются физически чистыми.
-
Определить роль геометрического фактора - плоскопараллелыюго и вращательного сдвигов плоскостей относительно друг друга - в восстановлении нарушенных связей.
-
Сформулировать основные принципы и условия, при которых происходит восстановление нарушенных ионных связей.
Научная новизна.
-
Показано, что при несимметричном сколе ионных кристаллов наблюдается самопроизвольное залечивание трещин за счет микропластичности, развивающейся в момент остановки трещины в ее вершине, включающей обратимое движением дислокаций после разгрузки кристалла. Вьщелены две стадии залечивания: «быстрая» в момент разгрузки и «медленная», связанная с диффузионными процессами и стимулированием обратимой пластичности.
-
Установлено, что плотность дислокаций в полосах скольжения, «выброшенных» вершиной трещины, после разгрузки кристалла описывается зависимостью с максимумом. В непосредственной близости от вершин трещин имеется зона, свободная от дислокаций. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с аналитической оценкой эволюции пластичности.
-
Установлено, что воздействие на кристалл с трещиной, полученной при асимметричном сколе, излучением оптического диапазона, рентгеновским излучением, инфракрасным или их комбинацией интенсифицирует процесс залечивания как во времени, так и по качеству за счет увеличения числа дислокаций, обратимо выходящих на поверхность трещины.
-
Установлена зависимость между величиной и временем раскрытия трещины и размером залеченного участка, определяющую роль, в которой играет ювенильность поверхностей, создающая оптимальные условия для восстановления сплошности.
-
Показано, что одной из причин, препятствующих восстановлению разрушенных связей, является геометрический фактор - относительный сдвиг и разворот соединяемых поверхностей ионных кристаллов, сопровождающиеся снижением сил взаимодействия на два-три порядка.
-
Сформулированы физические представления, подтвержденные экспериментально, о механизме восстановления разрушенных связей, заключающиеся в том, что восстановление сплошности возможно, прежде всего, при соприкосновении физически чистых (ювенильиых) поверхностей и одновременной активизации подвижности поверхностных ионов, способствующей восстановлению нарушенных связей.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Экспериментально отработана методика получения в образцах ЩГК самозалечивающихся трещин, залегающих в плоскости {100}, основанная на асимметричном сколе кристалла. Вероятность и качество самозалечивания определяются процессами прямой и обратимой микропластичности в вершине трещины асимметричного скола. При этом форма и размеры пластической зоны определяются соотношениями геометрических размеров кристаллов, его механическими свойствами и степенью асимметричности скола
-
При остановке трещины в ее вершине формируется микропластическая зона в виде характерного симметричного или несимметричного «креста» из дислокационных полос, что обеспечивает пластическое вскрытие трещины и соответствующее расхождение ее берегов. При разгрузке образца, за счет обратимого движения дислокаций, величина расхождения берегов трещины сокращается. В случае незначительной пластичности (определенной в эксперименте) после обратимого выхода дислокаций на поверхности трещины, последние могут сблизиться на расстояние, достаточное для восстановления нарушенных связей - «быстрая» стадия залечивания. При этом в вершине трещины неизбежно должен остаться микроканал, зазечивание которого возможно за счет диффузионных процессов или стимулированной обратимой пластичности - «медленная» стадия затечивания.
-
Обратимая микропластичность обусловлена соотношением напряжений, действующих на дислокации в плоскостях залегания: напряжений трения, изображения и напряжений от взаимодействующих дислокаций. Суммарное действие напряжений изображения и взаимодействия дислокаций вызывает обратимое движение дислокаций и их выход на поверхности трещины до тех пор, пока силы трения не остановят этот процесс. Воздействие излучения различных длин волн, а также нагрева, меняет соотношение указанных напряжений, в частности, в результате уменьшения напряжения трения за счет разблокировки стопоров.
-
Временем и величиной раскрытия трещины определяется глубина проникновения атмосферного воздуха в полость трещины. Будучи электрически и химически активными, поверхности трещины адсорбируют ионы воздуха, теряя при этом ювенильность. Оценка глубины проникновения воздуха показывает, что внутренние участки полости трещины остаются физически чистыми и именно на них наблюдается полное восстановление сплошности, что подтверждается отсутствием образования строчечных дислокационных фигур при последующем химическом травлении образцов.
-
Аналитическая оценка сил взаимодействия поверхностей скола, представленных в виде мозаично заряженных моноатомных плоскостей, показала, что при параллельном сдвиге таких плоскостей на расстояние 0,3 параметра решетки происходит уменьшение сил взаимодействия на 1 -2 порядка, а относительный плоскопа-рачлельный разворот всего лишь на несколько минут понижает силу взаимодействия
практически до нуля от исходного значения, равного теоретической прочности на разрыв ~Е/ /г (Е - модуль упругости).
Практическая значимость работы.
Полученные в работе экспериментальные и аналитически обоснованные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности восстановления нарушенных связей в ионных кристаллах и её интенсификации путем воздействия излучения различных длин волн с одновременным нагревом, и могут быть использованы при устранении микротрещин в оптических элементах, изготовленных из ЩГК и работающих в соответствующих диапазонах длин волн. Сформулированные представления о механизме восстановления сплошности в ионных кристаллах могут быть применены для кристаллов с другим типом связей, в частности, с ковалентными или металлическими.
Залечивание микрртрещин при воздействии коротковолнового излучения позволит оптимизировать режимы эксплуатации радиационно-нагруженных конструкций, в частности, по параметрам накопления повреждений.
Результаты работы могут быть использованы при разработке теорий прочности и пластичности твердых тел.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996 г.), IV международной школе - семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1998), на Международной конференции «Не-разрушающее тестирование и компьютерное моделирование в науке и инженерии» (Санкт-Петербург, 1998), на конференции «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999), на XXXIV Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Тамбов, 1999), на 5 Российско-китайском Международном симпозиуме «Фундаментальные проблемы разработки материалов и процессов XXI столетия» (Байкальск, 1999), на XXXV семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Псков, 1999), на 3 семинаре В.А. Лихачева «Современные проблемы прочности» (Новгород, 1999), на международной конференции ISEM 99 (Pavia, Italy, 1999), на международной конференции Euromech-4 (Франция, 2000), на научных конференциях преподавателей и сотрудников ТамбГУ (1997-2000 г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 18 работах, указанных в конце автореферата.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка полученных данных, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.
Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант № 98-01-00617), а также Министерством общего и профессионального образо-
вания (грант по фундаментальным исследованиям в области естественных наук №97-0-4.3-185).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка цитируемой литературы из 193 наименований. Работа содержит 141 страницу текста, включая 50 рисунков, одну таблицу.