Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Поведение кристаллических материалов при внешних энергетических воздействиях 10
1.1. Явления, сопутствующие разрушению кристаллических материалов при механическом воздействии 10
1.1.1. Зарождение трещин 10
1.2. Распространение трещин 12
1.2.1. Немонотонный рост трещин 12
1.2.2. Влияние дефектной структуры на рост трещин 13
1.3. Восстановление сплошности материалов 15
1.3.1. Самопроизвольное залечивание трещин скола 15
1.3.2. Залечивание микротрещин при внешнем сжимающем воздействии 16
1.3.3. Залечивание трещин при воздействии теплового и электрического полей 19
1.4. Качество залечивания микротрещин 21
1.5. Влияние внешнего электромагнитного излучения на состояние дефектов 22
1.5.1. Влияние инфракрасной части спектра на вещество 22
1.5.2. Влияние излучения видимого диапазона на вещество 24
1.5.3. Влияние ультрафиолетового излучения на кристаллы с различным типом связей 25
1.5.4. Влияние рентгеновского излучения на вещество 28
1.5.5. Влияние g-излучения на вещество 30
1.5.6. Влияние электронного излучения на вещество 34
1.6. Фазовые превращения вызванные действием ионизирующего излучения 37
1.7. Люминесценция 39
1.8. Цель и задачи исследования 44
ГЛАВА 2. Залечивание трещин в щгк воздействием малых доз ионизирующего излучения 45
2.1. Влияние электромагнитного излучения на процессы залечивания трещин 45
2.2. Методика проведения эксперимента 47
2.3. Залечивание микротрещин в ионных кристаллах при воздействии ультрафиолетового излучения 49
2.4. Особенности реанимации кристалла с трещиной 55
2.5. Воздействие малых доз рентгеновского излучения на процессы залечивания микротрещин 57
2.5.1. Движение дислокаций при рентгеновском облучении 57
2.6. Динамика полей напряжений у вершины самозалечившейся
трещины при внешнем воздействии электромагнитного излучении различных длин волн 67
2.7. Механизм залечивания трещин в ЩГК воздействием малых доз ионизирующего излучения 78
2.8. Выводы 83
ГЛАВА 3. Оценка качества залечивания трещин в ЩГК 85
3.1. Метод химического травления 86
3.2. Микроиндентирование кристаллов 88
3.3. Сопоставление скоростей развития первичной и вторичной трещин асимметричного скола в ЩГК 90
3.4. Оценка прочностных характеристик кристаллов на разрыв 93
3.5. Выводы 94
ГЛАВА 4. Кинетика роста и самозалечивания трещин симметричного и асимметричного скола в ЩГК 95
4.1. Особенности роста трещин скола в кристаллах 95
4.2. Методика проведения эксперимента 97
4.3. Кинетика асимметричного скола и залечивания вершин трещин 100
4.4. Кинетика симметричного скола 107
4.5. Оценка глубины затекания воздуха в полость трещины 109
4.6. Исследование конфигурации полей напряжений в вершине трещины симметричного и несимметричного скола 112
4.7. Выводы 114
ГЛАВА 5. Оценка сил взаимодействия мозаично заряженных плоскостей в зависимости от их относительного расположения 115
5.1. Влияние геометрии поверхностей скола в ЩГК на восстановление сплошности 115
5.2. Аналитическая оценка взаимодействия поверхностей скола в ЩГК 116
5.3. Выводы 127
Общие выводы по работе 128
Список литературы 131
- Залечивание микротрещин при внешнем сжимающем воздействии
- Залечивание микротрещин в ионных кристаллах при воздействии ультрафиолетового излучения
- Сопоставление скоростей развития первичной и вторичной трещин асимметричного скола в ЩГК
- Оценка глубины затекания воздуха в полость трещины
Введение к работе
Актуальность работы. Прочность и долговечность конструкций,
зачастую, определяется их дефектной структурой, в частности, накопленными при эксплуатации повреждениями, например, микротрещинами. При приложении к конструкционному материалу деформирующей нагрузки трещины могут подрастать, получать дальнейшее развитие, приводя к катастрофическому разрушению.
Физические закономерности распространения трещин дают основание считать, что возможно затормозить начавшееся разрушение [1]. Существует ряд технологических и микроструктурных способов воздействия на катастрофически распространяющуюся трещину, переводящих ее в неопасную статическую или квазистатическую стадию. Предупредить или предотвратить распространение трещин можно различными способами: ветвлением, запуском волн напряжений, развитой дислокационной структурой, двойниковыми прослойками, малоугловыми границами и др.
Улучшить прочностные характеристики материала позволяет также процесс залечивания трещин и пор. Проблема восстановления нарушенных связей актуальна и на сегодняшний день, т.к. напрямую связана с процессом эксплуатации различных изделий.
Для восстановления сплошности материала используют механическое воздействие, нагрев или совместное действие теплового и электрического полей. Практически отсутствуют работы направленные на установление механизмов реанимации разрушенных связей, неясен механизм самопроизвольного залечивания трещин, факторы и условия, при которых залечивание происходит наиболее интенсивно. В известных работах не анализировалось влияние топографического фактора, реверсного движения дислокаций при вершине залечиваемой трещины, степени ювенильности соединяемых поверхностей и т.д.
Все это дает основание для постановки задачи направленной на проведение исследований по восстановлению сплошности материала, представляющий интерес, как в научном, так и в практическом плане.
Цель работы. Работа посвящена экспериментальному исследованию процесса залечивания трещин асимметричного скола в ЩГК при воздействии малых доз ионизирующего излучения, а также оценке качества залечивания и определению факторов, препятствующих восстановлению разрушенных связей.
С.Петервург ОЭ 200УактЬ9-- >
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
Экспериментально установить факт залечивания трещин в щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК) воздействием малых доз ионизирующего излучения ультрафиолетового (УФ) и рентгеновского диапазонов длин волн.
Предложить механизм воздействия УФ и малых доз рентгеновского излучения на ЩГК, стимулирующий процесс залечивания трещин. Исследовать поведение дислокаций, введенных в ЩГК, при последующем действии на кристалл УФ и малых доз рентгеновского излучения.
Предложить и реализовать способы оценки качества залечивания трещин в ЩГК после воздействия УФ и малых доз рентгеновского излучения. Оценить кинетические параметры (скорости трещин) при разрушении и залечивании трещин в кристалле при асимметричном сколе. Методом компьютерного моделирования оценить влияние мод относительного сдвига, разворота и нормального раскрытия берегов в вершине трещины на величину их электростатического взаимодействия.
Научная новизна: Показано, что при воздействии малых доз ионизирующего излучения УФ и рентгеновского диапазонов длин волн происходит залечивание трещин в ЩГК, обусловленное обратимым движением дислокаций в полость трещины. Установлено, что дислокации, введенные в кристалл, при последующем облучении малыми дозами УФ и рентгеновского диапазонов длин волн приводятся в движение за счет снижения стартовых напряжений. На начальных этапах воздействия рентгеновского облучения процесс залечивания трещин в ЩГК определяется соотношением между числом распадающихся собственных дефектов кристалла Л^ и числом образующихся радиационных дефектов N0. При выполнении условия jVo> Np процесс залечивания прекращается.
Показано, что залеченные участки трещины имеют повышенную прочность в сравнении с исходным кристаллом.
Аналитически установлено, что сила электростатического взаимодействия заряженных поверхностей трещины зависит от их относительного сдвига и разворота и может убывать на 6-7 порядков, принимать около нулевые значения и менять знак.
Качество самозалечивания трещины в ЩГК зависит от времени и величины её раскрытия, чем определяется ювенильность поверхностей, а также от фактора топографического соответствия соединяемых поверхностей.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты воздействия малых доз ионизирующего излучения на ЩГК, проявляющегося в уменьшении интегральной плотности дислокаций в кристалле, сокращении длины лучей дислокационной розетки и увеличении размеров залеченного участка трещины асимметричного скола.
Механизм залечивания трещины, обусловленный обратимым движением дислокаций в вершину трещины, вызывающим её пластическое закрытие и восстановление ионных связей.
Результаты и механизм влияния малых доз ионизирующего излучения на снижение стартовых напряжений дислокаций в ЩГК. Кинетические характеристики процесса залечивания трещин в ЩГК обеспечивающие сохранение ювенильности соединяемых поверхностей. Результаты расчета сил электростатического взаимодействия мозаично заряженных поверхностей трещины, зависящих от их относительного смещения, разворота и величины нормального раскрытия. Методику количественной оценки изменений полей упругих напряжений в вершине трещины численным анализом фотоупругих картин. Практическая значимость работы. Полученные в работе экспериментальные и аналитически обоснованные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности восстановления нарушенных связей в ионных кристаллах и его интенсификации путем воздействия излучения различных длин волн, 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 использованы при восстановлении сплошности в кристаллах с другим типом связей, в частности, с ковалентнои или металлической.
Сведения о поведении ЩГК при воздействии коротковолнового излучения позволят оптимизировать режимы эксплуатации радиационно-нагруженных изделий оптики.
Результаты работы могут быть использованы при разработке теорий прочности и пластичности твердых тел.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международной конференции "Молодая наука- XXI веку" (Иваново 2001), на XXXVII Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Украина, Киев 2001), на VI Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск 2001), на втором Международном конгрессе студентов, молодых
ученых и специалистов "Молодежь и наука- третье тысячелетие" (Москва 2002), на международной конференции EPS-12 (Hungary, Budapest 2002), на международной конференции "Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges" (Ukraine, Kyiv 2002), на восьмой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Екатеринбург-Санкт-Петербург 2002), на Ш Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов 2003), на VII Международном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск 2003), на второй Международной конференции по физике кристаллов "Кристаллофизика 21-го века", посвященная памяти М.П. Шаскольской (Москва 2003), на XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов (Тольятти 2003), на ХТЛТ Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Калуга 2004), на научных конференциях преподавателей и сотрудников ТамбГУ (2000-2004).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 20 работах, указанных в конце автореферата.
Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит сборка и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка полученных результатов, участие в их обсуждении и написании статей.
Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант № 02-01-01173).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка цитируемой литературы из 261 наименования. Работа изложена на 159 страницах текста, включающих 63 рисунка и 4 таблицы.
Залечивание микротрещин при внешнем сжимающем воздействии
На фрактографической поверхности трещины имеется ряд расклиниваю-щих элементов, препятствующих залечиванию. К ним относятся ступеньки ско-ла [68], щепки и другие рельефные дефекты. Трещина в ЩГК помимо моды нормального разрыва, имеет еще моды продольного сдвига и разворота берегов [69]. Для сближения берегов трещины необходимо обеспечить смятие препят-ствий за счет пластической деформации.
В работе [11] построена математическая модель описывающая заживле-ние трещины путем испускания дислокационных петель под действием одноос-ной сжимающей нагрузки, превышающей некоторое пороговое значение стра-гивания дислокаций. Генерирование дислокационных петель продолжается до тех пор, пока суммарное напряжение в деформирующейся пластической зоне не понизится до порогового уровня.
Формирующаяся на границе закрытия пластическая зона в силу своей прерывистости и неоднородности по ширине образца не может служить эффек-тивным тормозом распространения разрушения.
Участки, на которых в фазе сжатия происходило восстановление связей между берегами трещины, выделяются при фрактографических исследованиях особым рельефом. Островки залечивания имеют весьма разнообразные формы и размеры, и составляют 5-60% площади области смыкания [17].
При импульсном циклическом нагружении трещины [70] происходят су-щественные изменения нормальных и сдвиговых напряжений в области ее вер-шины, что хорошо заметно в поляризованном свете в пластической зоне у вер-шины трещины соответствующей положению дислокационного “креста”.
Авторы работы [14] исследовали залечивание трещин длиной до 5 мм появившихся при вскрытии по плоскостям {110}. Для их залечивания применя-лись механическое сжатие нормально поверхности раздела и гидростатический обжим.
При одноосном сжатии частичное восстановление сплошности происхо-дило при нагрузках порядка 200 МПа. Степень залечивания не превышала 25% первоначальной длины трещины по плоскостям {110}, в то время как трещины по спайности при давлении всего лишь в 1 МПа заживают на 80%.
В.М. Финкель с сотрудниками в [71] исследовал одну из причин, препят-ствующую полному восстановлению сплошности подвергнутых реанимирова-нию кристаллов. Она связана с заклиниванием воздуха между полостями тре-щины [72] и ближайшими ступеньками скола. Установлено, что более длинные трещины схлопываются в центре, а короткие, как правило, в вершинах.
При залечивании кристалла с границей наклона [69, 73, 74] вдоль субгра-ниц остается зона невосстановленной сплошности, связанная с образованием при разрыве субграничных двухгранных углов на поверхности разрушения. При прохождении полос скольжения через любые участки трещины в местах пересечения в обязательном порядке происходит восстановление разру-шенных связей, о чем говорят контрастные [75, 76] ямки травления.
Напряжения прорыва полосы скольжения через залеченную трещину пре-вышает пороговое напряжение для субграниц с углом разориентировки 1 в 4-6 раз, а с углом 10 в 9-12 раз.
В случае винтовой границы ситуация совершенно иная. При пересечении трещиной субграниц кручения возникает речной узор, система атомных ступе-нек поэтапно объединяющихся в более крупные. Характерной особенностью речного узора является слияние ступенек различной высоты вплоть до 20-50 мкм. Сверхвысокие ступеньки такого рода являются серьезным препятстви-ем для реанимации сплошности.
Отсутствие залечивания трещины при продольных сдвигах [12] на угол более 1 можно объяснить, исходя из особенностей залечивания. Для восста-новления сплошности между берегами трещины требуется введение дислока-ций, ликвидирующих несоответствие структур поверхностей раскола [68]. В этом отношении заживленная трещина с разворотом берегов является аналогом малоугловой границы. После восстановления сплошности малоугловые грани-цы хорошо выявляются методом декорирования [77]. Оказалось, что в условиях малых сдвигов канал вдоль субграниц наклона распадается на систему изолиро-ванных пор, локализованных вблизи скола.
Рельеф поверхностей разрушения является основным препятствием для реанимации сплошности и в монокристаллическом висмуте. В отличие от гало-идных кристаллов, где ступени скола имеют тенденцию располагаться, в целом, в направлении скола, ступени на берегах разрыва в висмуте образуют двумер-ную сетку. Процессы разрушения и залечивания трещин в данном кристалле контролируются двойникованием [15]. Если при разрушении двойники в вер-шине трещины обуславливают ее вскрытие, то раздвойникование при одноосном или гидростатическом сжатии влечет за собой смыкание полости разрыва. Залечивание трещин в при комнатной температуре наступает при напряжении сжатия 2 МПа. При такой температуре в кальците преобладает деформация двойникованием. Деформация скольжением в таких кристаллах проявляет себя при температурах больше 200 С или при более значительных концентрациях напряжений, возникающих при ликвидации несоответствий мик-рорельефа поверхностей залечиваемой трещины [13].
Одновременное воздействие изгибающей нагрузки и нагрева облегчает процесс залечивания [22]. Отжиг образцов из LiF в течении 6-12 часов в нагру-женном состоянии достаточно, чтобы трещина в нем полностью залечилась.
В изогнутом кристалле на одной грани создаются растягивающие напря-жения, а с другой сжимающие. Создается градиент напряжений. При отжиге образца [35] активизируются процессы залечивания. Поля напряжений увели-чивают подвижность дислокаций, обусловленную температурной зависимо-стью.
При высокотемпературном залечивании трещин в , в электрическом поле, замечено образование множества выступов [10]. Кроме этих мелких вы-ступов, наблюдается рост дендритов. Последние имеют форму перемычек, ме-жду поверхностями, ограничивающими трещину. Перенос вещества к устью трещины, может осуществляться различными механизмами: 1) объемной диффузией; 2) поверхностной диффузией; 3) пере-носом вещества через газовую фазу [22]. В многочисленных экспериментальных и теоретических работах, посвя-щенных проблеме, высокотемпературного залечивания пор, исходят из предпо-ложения о том, что в роли единственных носителей вещества, обеспечивающих его транспорт в пору, могут оказаться вакансии [19], даже в том случае, когда залечивание происходит под влиянием извне. В случае, когда пора находится в поле достаточно больших внешних напряжений, ситуация может существенно измениться и эмиссия порой дислокационных петель окажется основным меха-низмом удаления пустоты из нее.
При залечивании трещин в кристаллах кальцита формирование контакта между поверхностями раскола является продолжительным процессом. Отжиг образца с захлопнувшейся трещиной позволяет значительно сократить время залечивания. Экспериментальная зависимость времени залечивания от темпера-туры соответствует экспоненте [36]: , где Q – энергия активации про-цесса залечивания, A – экспериментально определяемый коэффициент для кри-сталлов кальцита.
Залечивание микротрещин в ионных кристаллах при воздействии ультрафиолетового излучения
Залечивание трещин может быть как самопроизвольным, так и вызвано искусственным путем. Самопроизвольное залечивание трещин происходит без воздействия внешних факторов, и очень часто наблюдается при асимметричном сколе кристаллов [35, 58], за счет бокового откола более узкой части кристалла.
При искусственном залечивании трещины интерес представляют элек-тромагнитные воздействия, начиная с нагрева и заканчивая коротковолновым излучением. Воздействие ультрафиолетового излучения на ЩГК с точки зрения залечивания трещин изучено не достаточно, о чём говорит обзор работ по этому направлению [98-113]. Хорошо известно, что в результате воздействия рентге-новского излучения на ЩГК в них возникают электронные возбуждения. Эти возбуждения, превращаясь в простейшие структурные дефекты типа электрон-но-дырочных пар и экситонов, которые в свою очередь, распадаясь, могут обра-зовывать другие дефекты. Этот процесс достаточно изучен в ЩГК в области средних и больших доз облучения (D=103-1017 рад) [133, 135, 139, 141, 145]. При таких дозах образуется большое количество радиационных дефектов, пре-пятствующих движению дислокаций. Высокие концентрации радиационных дефектов отмечаются в материалах атомных реакторов, космических аппаратов, то есть там, где материалы соприкасаются с интенсивными потоками облуче-ния. Появление в материалах большого количества радиационных дефектов за-метным образом меняет их физические свойства: электропроводность, проч-ность, объемные размеры [193] и даже приводит к фазовым превращениям.
Сравнительно недавно было обнаружено [193], что облучение малыми до-зами ионизирующего излучения изменяет определенные свойства кристаллов в направлении, противоположном обычно наблюдаемому при средних и больших дозах. Облучение малыми дозами приводит к улучшению ряда параметров по-лупроводниковых кристаллов, в то время как облучение большими дозами, ча-ще всего их ухудшает. Это явление, получившее название “эффект малых доз”, привлекает внимание исследователей [194]. Именно при малых дозах ионизи-рующего излучения можно ожидать стимулирования залечивания остановив-шихся трещин в ЩГК, за счет увеличения подвижности дислокаций. При боль-ших дозах накопленные радиационные дефекты существенно затрудняют дви-жение дислокаций, что косвенно может отразиться и на процессе залечивания.
Основными задачами второй главы было: 1. Установить возможность влияния малых доз электромагнитного излучения различных длин волн на процесс залечивания трещин в ЩГК, полученных при асимметричном сколе. 2. Исследовать влияние УФ и рентгеновского излучения на поведение индиви-дуальных дислокаций в ЩГК в зависимости от поглощенной дозы. 3. Исследовать динамику полей напряжений вершины трещины при воздейст-вии УФ и рентгеновского излучения. 4. Предложить механизм восстановления сплошности в ЩГК инициированный воздействием малых доз ионизирующего излучения. Исследования проводили на оптически прозрачных монокристаллах LiF, NaCl и KCl с количественным содержанием примесей от 10–2 до 10–3 вес.%. Из крупных блоков выкалывались образцы с размерами 10х20х2 мм по плоскостям спайности. Каждый образец ЩГК скалывали по плоскости спайности (100) на некотором расстоянии S1 от оси симметрии кристалла (рис. 2.1). Степень асимметричности скола определяли отношением размера S1 к по-луширине образца S2/2. Фиксировали размеры остановившейся магистральной трещины скола S3, отколовшейся части кристалла S4 и длину залечившегося участка S6. Степень асимметричности скола в экспериментах обычно составляла » 0,6. После асимметричного скола по (100) кристаллы раскалывали дополни-тельно по плоскости (010). На образующихся при этом чистых поверхностях химическим травлением выявляли дислокационную структуру в водных раство-рах FeCl3 для LiF, виннокаменной кислоты для СаСО3, и в растворе CdCl2 в ме-тиловом спирте для NaCl. Для облучения монокристаллов ультрафиолетом применялась ртутно–кварцевая лампа ПРК-2. Для предотвращения нагрева использовали водяной фильтр. Температура образцов во время опытов с УФ облучением контролирова-лась термопарой и оставалась практически постоянной Т=293 К. Длина волны ультрафиолетового излучения = 250ё300 нм (4,15-4,95 эВ). Время воздействия варьировалось от 10 минут до 3 часов. Для облучения монокристаллов рентгеновскими лучами использовалась установка ДРОН-2,0 в режиме на прохождение с медным анодом (длина волны =1,54 ) и ДРОН-0,5 с использованием железного анода (длина волны =1,93 ). Время облучения кристаллов варьировалось от 1 до 10 минут (напряжение на трубке 35 кВ, ток 810 мА). Влияние ионизирующего излучения на поведение дислокаций исследова-ли на кристаллах NaCl, для этого использовали метод двойного травления: один и тот же образец подвергался химическому травлению до и после облучения УФ или рентгеновскими лучами. ЩГК являются исключительно удобным материалом для исследования распределения напряжений методом фотоупругости и дислокационных фигур травления вблизи вершин трещин. Совершенная спайность дает возможность получить трещину в заданной кристаллографической плоскости. Динамика полей напряжений у вершины трещины изучалась на кристал-лах KCl с количественным содержанием примесей 10–3 вес.%. Для этого вдоль оси симметрии кристалла вводилась трещина длиной 10 мм по плоскости (001). Возникшую при этом конфигурацию поля напряжений можно было уви-деть в поляризованном свете. Кристалл при этом располагался так, чтобы плос-кость трещины была параллельна плоскости поляризации поляризатора. Анали-затор располагали в скрещенном положении.
Сопоставление скоростей развития первичной и вторичной трещин асимметричного скола в ЩГК
Общей чертой процессов развития макроскопических трещин является формирование перед их вершиной пластической зоны различной формы [60], размеры которой зависят от коэффициента вязкости разрушения [4] и эффек-тивного модуля упругости материала у вершины трещины [56]. Одной из разновидностей разрушения является скол кристалла по плоско-сти спайности, который может сопровождаться пластической деформацией трех видов [58]. Во-первых, возможна деформация вследствие концентрации напря-жений у вершины трещины; во-вторых, номинальные изгибающие напряжения в половинках раскалываемого кристалла могут вызвать их пластический изгиб, и в-третьих, участки трещины развивающиеся в соседних параллельных плос-костях могут объединиться путем пластического среза материала между ними.
Напряженное состояние в вершине трещины, размер пластической зоны, и наконец, механизм ее роста контролируют скорость распространения разру-шения [237].
Информация о напряженном состоянии в вершине трещины может быть получена различными методами: тензометрическим [238, 239], хрупких лаковых покрытий [239, 240], поляризационно-оптическим (фотоупругость) [3, 241], муаровых полос [242-244], рентгеновским методом [245] и т.д. Метод фотоупругости является наиболее наглядным метод для прозрач-ных материалов при исследовании напряжений в окрестности концентраторов. По "розеткам напряжений", формирующимся в вершине трещины, можно опре-делить ориентацию трещины, ее положение, а также количественную оценку относительного изменения напряжения при удалении от вершины трещины в различных направлениях.
Известно, что рост докритических трещин при хрупком и квазихрупком разрушении имеет характер скачкообразного случайного процесса [57]. Дли-тельные периоды статического существования трещины сменяются быстрыми перемещениями вершины в новое положение, причем характерный шаг роста много больше межатомного расстояния в твердом теле. В ЩГК скачкообразный рост трещины сопровождается формированием в вершине остановившейся трещины характерной дислокационной розетки "дис-локационного креста", по которым после химического травления кристалла можно определять места остановки трещин. На форму дислокационной розетки влияет степень асимметричности скола. По-видимому, несимметричность раз-вития деформации в вершине трещины при асимметричном сколе является ос-новной причиной того, что при сколе кристаллов с явно выраженной плоско-стью спайности высока вероятность выхода трещины на боковую грань образца за счет ухода ее в плоскость, ортогональную исходной. При этом вершина ос-новной магистральной трещины самопроизвольно залечивается [37, 38, 246]. Подобное разрушение кристалла легко реализуется при степени асимметрично-сти і 0,6 [246].
Фрактографические исследования в оптическом микроскопе позволяют увидеть лишь конечный результат восстановления сплошности. Вместе с тем, представляет интерес не только конечная картина процесса самопроизвольной регенерации, но и кинетика процесса в режиме реального времени. В связи с изложенным, были поставлены следующие задачи: 1. Методом скоростной кинематографии установить кинетические закономер-ности роста трещин асимметричного скола и сопоставить их с кинетикой и закономерностями роста трещин симметричного скола. 2. Определить критические скорости развития и схлопывания магистральных трещин, при которых их поверхности сохраняются физически чистыми (ювенильными). Исследовать кинетику роста трещин бокового откола. 3. Сопоставить морфологию полей напряжений симметричного и несиммет-ричного скола в ЩГК и установить причины возникновения бокового отко-ла. Работа установки осуществляется следующим образом. Подготовленный кристалл с зародышевой трещиной устанавливается таким образом, чтобы нож электрогидравлического нагружающего устройства находился точно на заро-дышевой трещине. Зеркало камеры приводится во вращение до 60000 об/мин. Затем запускается электрический импульс от пульта СФР, который подается на разрядник, соединенный последовательно с устройством для электрогидравли-ческого нагружения и лампой ИСШ 100-3М. Импульс от СФР поджигает лампу ИСШ 100-3М, используемую в качестве источника света, и за счет электрогид-равлического удара раскалывает кристалл. Одновременно с запуском импульса открывается затвор камеры СФР. Схема съемки процесса в режиме фоторегистратора (непрерывной развертки) представлена на рис. 4.2. Кристалл устанавливался таким образом, чтобы плос-кость растущей трещины отражала световой поток идущий на пленку, а сама трещина в проекции перекрывала ширину щелевой диафрагмы. Таким образом на пленке получались две области: светлая – соответствующая неразрушенной части кристалла; темная – соответствующая части кристалла, где уже прошла трещина по спайности. При подготовке к съемке лампа ИСШ 100-3М работала в режиме стробо-скопа. Это позволяло добиться максимального использования излучаемого све-та и провести хорошую настройку на резкость изображения исследуемого объ-екта. При покадровой съемки (в режиме лупы времени) в скоростную камеру дополнительно помещалась двухрядная вставка и двойная диафрагма. Для по-лучения картин распределения напряжений в вершине трещины кристалл по-мещался между двумя скрещенными поляроидами. Для экспериментов использовали образцы монокристаллов LiF, КСl и CaCO3 размером 20x10x2ё3 мм с количественным содержанием примесей 10–3 вес.%. Степень асимметричности скола в опытах составляла 0,6. Скол осуществлялся тарированным ударом с энергией 50 мДж, и регистрировался со скоростью – 500000 кадр/с. Параметры нагружающей системы подбирались таким образом, чтобы обеспечить высокие (несколько сотен метров в секунду) скорости роста трещин [37, 38]. При симметричном сколе кристаллов трещина проходит сквозь кристалл не образуя бокового откола. Чтобы определить скорость развития и схлопывания трещины нужны дополнительные условия. Таким условием может быть локаль-ное сжатие кристалла на пути движущейся трещины. Сжатие осуществлялось с помощью струбцины на расстоянии 1/3 длины кристалла от его вершины.
Оценка глубины затекания воздуха в полость трещины
Расчетная модель носит, безусловно, качественный характер, так как рас-считано взаимодействие только 104 ионов в двух плоскостях, реальное же число взаимодействующих ионов на залеченном участке 2Ч1012. В модели рас-смотрен идеальный кристалл без дефектов, учет которых лишь незначительно понизит численные значения сил. Модель также не учитывает, что одновремен-но с разворотом происходит клинообразное раскрытие трещины по мере дви-жения ее по кристаллу, что установлено экспериментально методом сверхско-ростной фоторегистрации [37, 38].
Таким образом, показано, что сила взаимодействия мозаично заряженных поверхностей, моделирующих поверхности трещины в ЩГК, существенно зави-сит от их взаимного расположения и может не только уменьшаться но и прини-мать околонулевые значения и менять знак (258-261).
Из полученных зависимостей видно, что, начиная с 1800 взаимодейст-вующих ионов, значения сил взаимодействия поверхностей практически совпа-дают. Отклонения в значениях силы взаимодействия (в начальном положении), при числе ионов начиная с 1800 и более составлют единицы процентов. Экст-раполяция результатов расчетов в область с бльшим числом взаимодействую-щих ионов показывает, что при допущениях, принятых в работе, ошибка расче-та не превышает 7-8%. 1. Предложена физическая модель взаимодействующих поверхностей трещины в ЩГК в виде мозаично заряженных плоскостей (зарядами разных знаков) адекватно отражающая реальные взаимодействия. Показано, что отличия в значениях сил между плоскостями состовляют единицы процентов. Экстра-поляция силовых зависимостей в область реального числа ионов во взаимо-действующих плоскостях показывает, что при допущениях, принятых в ра-боте, ошибка расчета не превышает 7-8%. 2. Оценка сил электростатического взаимодействия противоположных берегов трещины при моделировании их мозаично заряженными поверхностями по-казала, что одной из причин, препятствующих залечиванию трещины, явля-ется несовпадение мест разрыва ионных связей – следствие параллельного относительного смещения, поверхностей трещины. 3. Показано, что в зависимости от относительного смещения и разворота взаи-модействующих плоскостей сила притяжения может убывать на 5-6 поряд-ков, а в ряде случаев принимает околонулевые значения или меняет знак. 4. При нормальном раскрытии трещины (без относительного сдвига и разворо-та поверхностей трещины) сила взаимодействия убывает пропорционально 1/r2 и на расстоянии 50а уменьшается более чем на 7 порядков. При допол-нительном сдвиге плоскостей или их развороте это уменьшение взаимодей-ствия еще существеннее и в ряде случаев может сопровождаться изменением знака. 1. Установлен факт воздействия малых доз ионизирующего излучения ульт-рафиолетового и рентгеновского диапазонов длин волн, приводящего в ЩГК к уменьшению интегральной плотности дислокаций и сокращению длины дислокационных лучей розетки в вершине трещины, а также к уве-личению размеров участка восстановленной сплошности. Отмечено, что при воздействии рентгеновского излучения имеется некоторая критиче-ская поглощенная доза, превышение которой не вызывает дальнейшего изменения дислокационной структуры в кристалле и величины размера залеченного участка трещины. 2. Предложен механизм залечивания трещин асимметричного скола в ЩГК, обусловленный обратимым движением дислокаций, испущенных верши-ной трещины при остановке, вызванным воздействием малых доз ионизи-рующего излучения. При этом уменьшается пластическое вскрытие тре-щины, приводящее, как правило, к залечиванию трещины за счет восста-новления ионных связей. 3. Установлено, что дислокации, введенные в кристалл, последующим ульт-рафиолетовым или на начальной стадии рентгеновским излучением при-водятся в движение в направлении действия касательных напряжений. Движение дислокаций объясняется уменьшением числа стопоров за счет распада дивакансий при рентгеновском облучении и облегченном огиба-нии стопоров дислокациями при взаимодействии последних с экситона-ми. При рентгеновском излучении движение дислокаций зависит от соот-ношения между числом распадающихся дефектов Np и числом образую-щихся радиационных дефектов Nо. По достижении условия NоіNp имеет место упрочнение кристалла и обратимое движение дислокаций, в част-ности, в полость трещины прекращается, как и процесс залечивания не-сплошности. 4. Определены кинетические характеристики залечивающихся трещин, в ча-стности, скорости их закрытия, достигающие для симметричного скола 700 м/с и для асимметричного скола 300 м/с. Показано, что определяю-щими факторами при залечивании являются время раскрытия трещины и величина расхождения её берегов, от которых зависит сохранение юве-нильности поверхностей скола, величина пластической деформации в вершине трещины и величина фактора топографического соответствия соединяемых поверхностей трещины. 5. Предложены и апробированы методики количественной и качественной оценки состояния залеченного участка трещины асимметричного скола в ЩГК после воздействия малых доз ионизирующего излучения. Установ-лено, что залеченный участок трещины имеет более высокую прочность в сравнении с исходным кристаллом, что объясняется повышенной плотно-стью дефектов в русле залеченной трещины. 6. Методом компьютерного моделирования оценено изменение сил электро-статического взаимодействия поверхностей трещины, представленных мозаично заряженными плоскостями. Показано, что при относительном параллельном смещении и развороте поверхностей трещины силы взаи-модействия могут убывать на 6-7 порядков, принимать околонулевые зна-чения, а в ряде случаев менять знак.
Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руко-водителю доктору физико-математических наук, профессору Федорову Виктору Александровичу за предложенную тему научных изысканий и создание благоприятного микроклимата, способствующего плодотворной работе. Автор также благодарен Плужниковой Т.Н., Глушкову А.Н., Поли-карпову В.М., Попову В.Ф., Иванову В.П., Тялину Ю.И. и сотрудникам ка-федры общей физики Тамбовского государственного университета за по-лезные советы и всестороннюю помощь.
