Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса ii
2. Закрытие трещин при динамическом нагружении 31
3. Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах при импульсном нагружении 66
4. Исследование качества реанимаций щелочно-галоидшх кристаллов 100
Вывод 137
Литература 139
Приложения 152
- Закрытие трещин при динамическом нагружении
- Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах при импульсном нагружении
- Исследование качества реанимаций щелочно-галоидшх кристаллов
Закрытие трещин при динамическом нагружении
Известно, что динамические нагрузки возбуждают в твердых телах упругие волны. Взаимодействие этих волн с трещиной и определяет, в конечном счете, процесс ее закрытия. Теоретически распространение упругих волн в твердых телах с трещинами достаточно хорошо изучено. Рассмотрел основные результаты работ, посвященных этой проблеме.
В большинстве теоретических исследований решается задача о дифракции плоских гармонических волн на препятствиях типа дисковой (пенни-образной) трещины, конечных и полубесконечных разрезах, расположенных в безграничном, упругом, изотропном теле /97/. В частности, с использованием преобразований Ханкеля определены динамические напряжения и смещения при рассеянии пенни-образной трещиной продольных волн сжатия и радиальных сдвиговых волн /98/. Показано, что с ростом частоты падающей волны динамические коэффициенты интенсивности напряжения увеличиваются и достигают максимума (1,2-1,3 в отношении к статическому коэффициенту интенсивности напряжения) при соотношении радиуса трещины и длины волны примерно 1:3. Подобная задача в области низких частот решена Робертсоном /99/, получившим в результате численного решения десятипроцентное превышение диншлических характеристик упругого поля в окрестности вершины трещины над статическими.
В работах /100,ТОЇ/ рассматривалось взаимодействие крутильных и продольных волн с пенни-образной трещиной. В низ кочастотном приближении решение дифракционной задачи получено в аналитическом виде /108/ и приведены соответствующие формулы для расчета напряжений и смещений. В области высоких частот, то есть при Х С1 (X - длина волны, CU -радиус трещины) приведены результаты численного расчета динамических коэффициентов интенсивности напряжения /100/ К ин . Максимумы К Н/Кст для продольных и крутильных волн близки по величине (1,45 и 1,48), хотя частотное их положение различно - в последнем случае длина волны в два раза короче .
Исследовалась дифракция продольных и сдвиговых волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией в случае нормального падения на трещину конечной ширины и бесконечной длины (трещина Гриффитса). Методом интегральных преобразований получены потенциалы смещений рассенного поля в области низких частот /102/. Как и в случае дифракции упругих волн на пенни-образной трещине, динамические коэффициенты интенсивности напряжения увеличиваются с ростом частоты, достигают максимума при определенной длине волны и затем следует спад. Наибольшие значения К Н/Кст для указанных типов волн достаточно близки (1,19-1,3).
Подобные величины получены в работе /103/, где определение поля, рассеянного трещиной Гриффитса, сводится к асимптотическому решению интегральных уравнений Фредгольма второго рода в длинноволновом приближении. Для волн, сравнимых по длине с размерами трещины, дано численное решение как в непосредственной близости, так и вдали от трещины.
Известны исследования, относящиеся к дифракции плоских изгибных волн на прямолинейной сквозной трещине в упругой пластине /104/. С использованием теории Миндлина рассчитаны динамические коэффициенты интенсивности изгибающих моментов в окрестности вершины трещины. В отличие от результатов, рассмотренных выше, динамические характеристики упругого поля всегда меньше, чем статические и с ростом частоты убывают приблизительно по линейному закону.
С помощью обобщенного метода Винера-Хопфа анализировалась дифракция волн Лэмба на конечной трещине в упругом слое /105/. Обнаружены сильные резонансные явления в области, прилегающей к трещине. При этом коэффициенты отражения симметричных и антисимметричных волн Лэмба практически равны единице.
Задачи, связанные с ударными воздействиями на трещину, рассматривались в работах /106-108/. В частности, исследована дифракция плоской нестационарной волны произвольной формы на прямолинейной трещине конечных размеров в безграничной среде. Рассеянное упругое поле в окрестности вершины трещины исследовалось при произвольных углах падения волны. Преобразованием Лапласа по времени и преобразованием Фурье по координате волновое уравнение приведено к обобщенному уравнению Винера-Хопфа. Для дифрагирующей волны, заданной в виде ступенчатой функции, приведены результаты численного расчета. Оказалось, что динамический коэффициент интенсивности напряжения на 30 % больше статического, то есть близок к величинам, полученным для гармонических волн.
Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах при импульсном нагружении
Для моделирования и исследования физических процессов, протекающих в твердых телах, широко применяются щелочно-галоидные кристаллы. Относительно простая структура кристаллической решетки (типа NctW ) позволяет достаточно полно выявить механизмы происходящих в них физических явлений. Щело-чно-галоидные кристаллы оптически прозрачны и обладают пье-зооптическим эффектом, что дает возможность применить метод фотоупругости для изучения механических процессов, протекающих в них при различного рода внешних воздействиях. В связи с этим, в качестве объекта исследования выбраны монокристаллы Mate и LiF
Залечивание трещин в кристаллах исследовалось методом динамической фотоупругости в сочетании со скоростной фоторегистрацией изображения трещины и микроскопическим изучением дислокационной структуры образцов.
В монокристаллах МаСВ размером 60x50x10 мм лезвием создавалась трещина длиной 20-30 мм в плоскости {100} , расположенная на расстоянии 25 їм от торцевой поверхности. Образцы с трещиной подвергались импульсному сжатию в направлении, нормальном плоскости раскола. Усилие передавалось на кристаллы с помощью стального стержня с поперечным сечением 2 около 100 мм . На верхнем торце этого стержня, в закрытом контейнере (рис.3.I., позиция 9) взрывалась проволочка. С этой целью через нее пропускался импульсный ток разряда батареи конденсаторов типа К4ІИ-7-5-І00. Энергия заряда варьировалась в пределах 100-200 Дж. Сила удара по поверхности образцов оценивалась по данным модельных экспериментов с пластинами из эпоксидной смолы (рис.2.1) и в максимуме достигала 2x10 Н/м (в расчете на единицу толщины образца). Длительность нагружения кристаллов составляла 100-150 мкс.
Фотоупругая картина, возникающая в кристаллических образцах при динамическом сжатии, регистрировалась скоростной камерой ШУ-І в режиме кадрированной макросъемки со светосильной линзовой вставкой (рис.3.1.). Скорость регистрации составляла 250 тыс. кадров в секунду, а соответствующее временное разрешение - 4 мкс.
Одновременно с фотоупругой картиной на каждом этапе нагружения фиксировалась длина трещины в образцах. С этой целью поверхность раскола освещалась под углом 40 импульсной лампой, синхронизированной с процессом взрыва проволочки. Изображение трещины в отраженном свете строилось в нижней части кинокадра с помощью плоского зеркала с внешней отражающей поверхностью (рис.3.1., позиция 5). Применение линз с фокусным расстоянием 500 мм в оптической системе поляриза-ционно-оптической установки позволило получить масштаб изображения на фокальной поверхности камеры 1:6. Для обеспечения высокой контрастности и пространственного разрешения фотоснимков использовалась мелкозернистая пленка "Микрат-200".
Дислокационная структура кристаллов с залеченной трещиной выявлялась методом избирательного травления. Для этого применялся стандартный состав CHgCOOHiCHgOH =2:1. Скоростная киносъемка кристаллов с трещиной, находящихся в условиях импульсного сжатия, показала, что в образцах происходят сложные взаимосвязанные процессы. Возмущение, вызванное ударом по поверхности, распространяется в кристалле (область просветления на кинограмме, рис.3.2.) и встречает на своем пути трещину. Яркость фотоупругой картины у берегов трещины возрастает, что свидетельствует о росте напряжений сжатия. Поверхности раскола при этом сближаются и при нагрузке порядка 10 Н/м трещина захлопывается (рис.3.2.) На залеченных участках восстанавливается оптическая прозрачность материала (рис.3.3.).
В результате проведения измерений длины трещин на увеличенных скоростных кинограммах установлено, что неподвижные трещины под действием импульсной нагрузки способны сокращаться в пределах 20-80 % от своей первоначальной длины (рис.3.4.). Скорости охлопывания при этом достигают 1000-2000 м/с /117/.
Исследование качества реанимаций щелочно-галоидшх кристаллов
С целью оценки качества сцепления между берегами залеченной трещины применен метод вторичного разрушения. Эксперимент выполнялся следующим образом. В образцах монокристал-лов фтористого лития размером 15x6x2 шг лезвием создавалась трещина в плоскости спайности длиной 10-12 мм. Кристаллы с выращенной трещиной сжимались на универсальном прессе УП-8 в направлении, нормальном плоскости скола. Нагрузка величиной 4 МПа прикладывалась в течение 10 с. В результате такого сжатия трещина залечивалась.
Далее, кристаллы с залеченной трещиной раскалывались на две части вдоль большей грани перпендикулярно поверхности раскола. Одна часть образца подвергалась травлению в водном растворе FeC&s с Целью выявления микроструктуры, а вторая разрушалась по границе восстановления сплошности. Зародышем вторичного разрушения служил незалечившийся остаток первичной трещины.
Нагружение образцов производилось ножом электрогидравлического устройства /6/, в котором возникает ударная волна при электрическом разряде в жидкости. Скоростная фоторегистрация процесса вторичного разрушения выполнялась камерой 0ФР-І в режиме фоторегистратора, что позволяло получить временную развертку изображения трещины.
Образец устанавливался под ножом электрогидравлического устройства таким образом, чтобы свет от импульсной лампы отражался трещиной и попадал в поле зрения объектива камеры (рис.4.1,)- Для освещения использовалась импульсная лампа ЙСШ-І00-ЗМ, работающая от батареи импульсных конденсаторов ШУ-5-І40. При напряжении 2 кВ энергия заряда батареи составляла 560 Дж, а длительность свечения лампы - 300 мкс. На-гружение и освещение образцов инициировалось высоковольтным импульсом, поступающим с пульта камеры 05P-I.
Для обеспечения резкости изображения при съемке с расстояния меньше 2 м (ближний предел фокусировки для камеры с объективом И-5І) применялось удлинительное кольцо длиной 100 мм, или специальная линзовая насадка камеры ШУ-І. При этом масштаб изображения на фокальной поверхности камеры составлял 1:1,4 и 1:1 соответственно. Для получения высокой контрастности и пространственного разрешения фоторегистро-грамм использовалась пленка "Микрат-200" или "Микрат-ЗОО", а для обработки негативов - стандартный проявитель "Рентген-2", разведенный в пропорции 1:3.
Полученные в результате скоростной съемки фоторегистро-граммы разрушения представляют собой графики зависимости длины трещины от времени (рис.4.2.). На десятикратно увеличенных снимках измерялась длина трещины с временным шагом 0,25 мкс и численным дифференцированием определялась скорость вторичного разрушения. Вычисления проводились по формуле /131/:
Изучение микроструктуры монокристаллов UF с залеченной трещиной показало, что на месте первичной трещины обра-зуется ряд дислокаций с линейной плотностью порядка 10 м и остаются участки с невосстановленной сплошностью - анклавы. Протяженность несхватившихся участков разнообразна и лежит в пределах от десятков микрон до миллиметров. Анклавы вместе с дислокационным рядом на трассе первичной трещины составляют границу залечивания (реанимации) кристалла. Залеченную трещину пересекают блочные границы и, зачастую, полосы скольжения и их пачки, образовавшиеся как при нагруже-нии, так и препарировании образцов. Таким образом, область реанимации щелочно-галоидных кристаллов представляет собой сложный конгломерат участков с различной структурой.
При последующем разрушении по границе залечивания трещина движется крайне неравномерно (рис.4.2.), скорость ее меняется в широком диапазоне 200-2000 м/с /132/. Вместе с тем, сравнительные испытания контрольных образцов, не содержащих залеченной трещины, показали, что скорость их разрушения относительно стабильна (рис.4.2,в) и составляла 500-800 м/с. Для выявления причин такой неравномерности движения вторичной трещины по границе залечивания проводилось сопоставление ее скорости с микроструктурой трассы вторичного разрушения.
Как и следовало ожидать, наиболее высокие скорости (до 2000 м/с) наблюдались в районах расположения анклавов, где сцепление между берегами трещины полностью отсутствует или незначительно, если участки несплошности охватывают не всю ширину кристалла. Для указанных районов характерно резкое изменение скорости вторичного разрушения с ускорением поряд-ка 10 м/с (крутой подъем на фоторегистрограмме, рис.4.2,а).
Вторичное разрушение по рядам дислокаций, образовавшимся на месте первичной трещины, происходило со скоростями на 200-300 м/с большими, чем при разрушении контрольных образцов (рис.4.3.). Это дает основание предполагать, что сцепление материала восстановилось не полностью.
Известно, что блочные границы и полосы скольжения являются барьерами на пути быстрой трещины /6,56,57/. При разрушении по границе реанимации обнаружено, что малоугловые границы (угол разориентировки Q l ) и их стыки уменьшают скорость вторичной трещины в среднем на 200 м/с. Подобные изменения скорости отмечались и при разрушении контрольных образцов.
