Диффузионно-дислокационный механизм разрушения пластичных образцов при ультразвуковом озвучивании Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 548

ДИФФУЗИОННО-ДИСЛОКАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ПЛАСТИЧНЫХ ОБРАЗЦОВ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ОЗВУЧИВАНИИ

© Ю.Н. Степанов, В.П. Алехин

Россия, Москва, Государственный индустриальный университет

Stepanov Y.N., Alekhin V.P. Diffusion and dislocation mechanism of elastic materials distraction under ultra-sonification. The article analyses the experimental data. Estimates of internal stress are made: which the accumulation of edge dislocation and dislocation loops under ultra-sonification of crystal samples are induced. It is determined that the mechanisms of metal and brittle materials are of varied types. A model of distraction for plastic samples under ultra-sonification is proposed.

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что существует отличие в разрушении хрупких материалов от разрушения металлических образцов при их ультразвуковом озвучивании. Основное отличие заключается в количестве осколков, на которое разрушаются образцы, и во времени разрушения. Так, в проведенных экспериментах [1, 2] по ультразвуковому воздействию на образцы Si и Ge было получено, что по прошествии времени около 30 с образцы «мгновенно» разрушались на огромное количество мельчайших осколков, которых в разных экспериментах насчитывалось от 10 до 104 штук, что позволило автору охарактеризовать его как «взрывообразное разрушение». В то же время, металлические образцы при том же ультразвуковом воздействии разрушаются обычно на 3-6 частей за время порядка 100 с, и разрушение металлических образцов характеризуется развитием магистральной трещины, как правило, по границам зерен [3-5].

Изучение вакансионных процессов и связанных с ними изменений дислокационной структуры озвучиваемых образцов позволило оценить возникающие в образце внутренние напряжения, понять механизм разрушения и предложить модель разрушения хрупких материалов и металлов при ультразвуковом воздействии на них.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведенные численные расчеты показали, что около границ зерен и свободной поверхности кристалла, при его ультразвуковом озвучивании, возникает область вакансионного пересыщения, что приводит к конденсации избыточных вакансий и образованию дислокационных призматических петель. Взамен исчезнувших избыточных вакансий, со свободной поверхности и границ зерен, являющихся источниками и стоками вакансий, соответственно, «бесконечной» и «почти бесконечной» мощности, поступают новые. Вновь образуются вакансионные пересыщения, возникают новые дислокационные петли и подрастают уже имеющиеся. В результате плотность петель монотонно возрастает со временем, и, соответственно, возрастает

величина внутреннего напряжения, создаваемого ими. Сделанная оценка показала, что характерная максимальная величина внутренних напряжений стМ, создаваемая локальной областью скопления дислокационных петель плотностью р, имеет порядок:

3

СТм ~ 4 Р _ ^ ’ (!)

где О - модуль сдвига, Ьк - среднее значение краевой составляющей вектора Бюргерса дислокационной петли, Я0 - средний радиус дислокационных петель в скоплении, ц - коэффициент Пуассона.

Найдем величину плотности дислокационных петель рМ, которую необходимо создать в материале для того, чтобы в нем возникли растягивающие напряжения порядка разрушающих напряжений - стр. Для пластичных материалов величина критических растягивающих напряжений - порядка 0/10 [6].

Анализ формулы (1) показал, что скопление дислокационных петель плотностью больше или порядка 1015 см-3 приводит к возникновению в пластичных материалах внутреннего растягивающего напряжения больше разрушающего.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что при ультразвуковом воздействии на образцы плотность дислокационных петель в них монотонно возрастает до некоторого своего предельного значения. При озвучивании образцов не удавалось наблюдать плотность дислокационных петель больше чем 5-1014 см-3. Этот предел плотности петель, очевидно, связан с тем, что петли сами являются объемными источниками и стоками вакансий. По мере возрастания их плотности роль дислокационных петель как источника и стока вакансий, по сравнению со свободной поверхностью и границами зерен, увеличивается, и по достижении некоторой плотности рост и растворение дислокационных петель будет определять возникновение и исчезновение вакансий в объеме образца. А «накачка» вакансий в объеме образца со свободной поверхности и границ зерен будет практически отсутствовать.

Таким образом, из сделанных оценок следует, что разрушение пластичных образцов при их ультразвуковом озвучивании не может быть вызвано возникновением в них дислокационных петель, так как для этого необходимо возникновение плотности петель, достижение которой на практике не наблюдается.

Кроме образования призматических вакансионных петель при ультразвуковом воздействии на образец, в нем возникают области вакансионного пересыщения и недосыщения, что приводит к неконсервативному движению краевых дислокаций под действием осмотической силы.

Проведенные численные расчеты показали, что при ультразвуковом озвучивании образцов происходит переползание краевых дислокаций из объема к поверхности кристалла, к границам зерен и к поверхности пучности образующейся в нем стоячей волны. При этом происходит уменьшение плотности дислокаций в объеме и увеличение - около свободной поверхности, границ зерен и поверхности пучности стоячей волны. Вблизи свободной поверхности, границ зерен и поверхности пучности стоячей волны возникают скопления краевых дислокаций, и образуется дислокационная конфигурация, изображенная на рис. 1.

Конфигурация, изображенная на рис. 1, представляет два слоя скопления краевых дислокаций одного знака. Причем в одном слое группируются только «положительные» краевые дислокации, а в другом - только «отрицательные». Эти слои располагаются по разные

-| -I

-I -I

-| -|

Слой № 1

скопления краевых дислокаций

Слой № 2 скопления краевых дислокаций

Рис. 1. Схематическое изображение дислокационной конфигурации около поверхности пучности стоячей волны и границ зерен

стороны от поверхности пучности стоячей волны и границ зерен. Со временем толщина слоев и расстояние между ними уменьшается, а плотность дислокаций увеличивается.

Наличие дислокационных скоплений приводит к искажению кристаллической решетки и возникновению дополнительных ст внутренних напряжений. Особенно большие дополнительные растягивающие внутренние напряжения возникают между слоями скопле-

ния «положительных» и «отрицательных» краевых дислокаций, изображенных на рис. 1, в окрестности поверхности пучности и границ зерен.

Сделанная оценка максимального растягивающего внутреннего напряжения стмк, возникающего между слоями скопления краевых дислокаций в дислокационной конфигурации, изображенной на рис. 1, дает:

СТмк ~ 1 Ро ^ Ьк О/ (1 - |1 ) ,

(2)

где Ьк - вектор Бюргерса, X - длина ультразвуковой волны, р0 - начальная плотность краевых дислокаций до воздействия на кристалл ультразвука.

При достижении критического разрушающего напряжения происходит зарождение микротрещины и разрушение образца.

Из выражения (2) следует, что если начальная плотность краевых дислокаций р0 в озвучиваемом образце удовлетворяет формуле (3):

Ро > 2ст„(1 - цУ(МкС),

(3)

то по прошествию некоторого времени произойдет разрушение.

Подставляя в выражение (3) характерные значения Ьк = 4-10-10 м, ц = 0,2 и считая, что длина ультразвуковой волны X = 5 • 10-3 м, получаем, что для разрушения пластичных материалов за счет формирования дислокационной структуры, изображенной на рис. 1, исходная плотность дислокаций в них должна быть порядка и больше 1011 м-2. Это условие выполняется практически всегда, так как пластичные материалы характеризуются наличием сеток дислокаций большой плотности.

ВЫВОДЫ

Разрушение пластичных материалов при ультразвуковом озвучивании характеризуется формированием полос скольжения, зарождением и развитием в них магистральной трещины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алехин В.П. Физические закономерности микропластической деформации и разрушения поверхностных слоев твердого тела: Автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Киев, 1978. 50 с.

2. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. 280 с.

3. Анчев В.Х., Скаков Ю.А. Влияние ультразвука на микротвердость и дослокационную структуру меди // Изв. вузов. Сер. Черная металлургия. 1974. № 11. С. 132-139.

4. Базелюк Г.Я., Полоцкий И.Г. Действие ультразвукового облучения на дислокационную структуру и микротвердость монокристаллов меди // Украинский физический журнал. 1974. Т. 19. № 2. С. 208-210.

5. Полоцкий И.Г., Мордюк Н.С., Базелюк Г.Я. Воздействие ультразвука на дислокационную структуру монокристаллов алюминия // Металлофизика. 1970. № 29. С. 99-101.

6. Стокс Р.Дж Микроскопические аспекты разрушения керамики // Разрушение / Под ред. Г. Либовца. М.: Мир, 1976. Т. 7. Ч. 1. С. 129-142.

I-