CC BY
39
УДК 539.3
О ТЕРМОАКТИВИРОВАННОМ ЗАРОЖДЕНИИ ТРЕЩИН НА ГРАНИЦЕ УПРУГОГО ДВОЙНИКА В КАЛЬЦИТЕ
© В.А. Федоров, А.М. Николюкин, Т.Н. Плужникова, А.В. Чиванов
Россия, Тамбов, Государственный университет им. Г.Р. Державина
Feodorov V.A., Nikolyukin A.M., Pluzhnikova T.N., Chivanov A.V. The thermo-activated initiation crack at the boundary of elastic twin in calcite. Analytical and experimental grounds of the thermo-activated mechanism of the crack initiation at boundary of elastic twin are given. It is revealed that crack appears in the area of the near base of twin. The activated energy of the process is determined.
Проблемы прочности и пластичности по-прежнему находятся в поле активного внимания исследователей. Задача определения критериев и условий разрушения приводит к необходимости изучения процессов на микроуровне. В настоящее время известно довольно много механизмов, описывающих процесс зарождения разрушения на атомно-молекулярном уровне. По характеру подхода они делятся на силовые и активационные. Несмотря на успехи [1], достигнутые в данном направлении, до сих пор существует ряд вопросов, требующих решения. В частности, не определен характер зарождения разрушения при таком виде деформации, как упругое двойникование. В связи с этим была поставлена задача экспериментально исследовать зарождение разрушения на границе упругого двойника.
В качестве материала для исследований были выбраны кристаллы исландского шпата (кальцита), так как в достаточно широком интервале температур они деформируются исключительно двойникованием, а оптическая прозрачность кристаллов позволяет наблюдать внутренние дефекты непосредственно.
Упругое двойникование впервые было открыто Р.И. Гарбером [2]. Дислокационная модель двойника и введение понятия двойникующей дислокации принадлежит К.В. Владимирскому [3]. Границы упругого двойника, состоящие из двойникующих дислокаций, могут быть представлены моделью ступенчатого скопления.
Аналитическая оценка условий зарождения трещин в скоплении, содержащем вторую и последующие дислокации в соседней параллельной плоскости скольжения, показывает, что при силовом подходе для зарождения трещины (за счет слияния двух дислокаций) необходимо сблизить их на расстояние С = 2,41 А [4, 5], где к - межплоскостное расстояние.
Термоактивационный механизм учитывает термические флуктуации. За счет выброса второй дислокацией плоского скопления парного перегиба слияние дислокаций может произойти при расстояниях С ~ 5Ь [1], с энергией ~ 2 эВ. Расчеты показывают, что преодоление энергетического барьера при зарождении трещины в ступенчатом скоплении возможно с затратами в 0,5 эВ [6].
Исходя из результатов аналитической оценки, можно предположить, что зарождение трещин на границе упругого двойника в кальците возможно по тер-
моактивационному механизму. Для проверки данного предположения были проведены экспериментальные исследования зависимости времени от начала приложения нагрузки до появления трещины на границе упругого двойника от температуры кристаллов кальцита.
Образцы выкалывались из крупных кристаллов по плоскостям спайности. Две противоположные грани образца сошлифовывались таким образом, чтобы они были перпендикулярны одной из плоскостей двойни-кования и направлению сдвига в ней. Образцы имели размер 8x8x10 мм.
Кристаллы помещали в нагружающее устройство, где происходил их предварительный нагрев конвекционными потоками теплого воздуха от проволочной электроспирали. Температуру образца измеряли с помощью термопары. Далее производили плавное деформирование сошлифованной поверхности в направлении двойникования сосредоточенной нагрузкой по методу Гарбера [7]. Двойник возникал в кристалле непосредственно под местом приложения нагрузки и, имея интерференционную окраску, легко регистрировался в отраженном свете (рис. 1 а). Отмечено, что трещины раскрываются в зоне ближе к основанию двойника. При этом наблюдается существенный сдвиг интерференционных полос (рис. 1б).
Эксперименты проводили при фиксированных температурах 303 К, 333 К, 363 К, 393 К, 423 К. Для каждой из температур определяли время от момента приложения нагрузки и возникновения двойника до появления трещины на границе. Каждая температурная точка получена по 20 опытам.
Зависимость натурального логарифма времени до появления трещины от обратной температуры аппроксимируется прямой с коэффициентом корреляции 0,9 (рис. 2), что говорит о термоактивационном характере зарождения трещины на границе упругого двойника.
Зависимость времени до возникновения трещины от температуры при постоянной нагрузке в этом случае описывается формулой [8]: ґ = ґ0 ехр(Е / кТ ) , где ґ0 -
период тепловых атомных колебаний (~10-13 с), Е -энергия активации зарождения трещины, к - постоянная Больцмана, Т - температура образца.
Исходя из данной зависимости, и из полученных экспериментальных данных, была определена энергия
а) б)
Рис. 1. а - упругое двойникование до образования трещины, б - зарождение трещины на границе двойника (указано стрелкой)
0 303К ЗЗЗК 363К 393К 423К
оН—■——■——■——■——■——■—
0,0034 0,0032 0,0030 0,0028 0,0026 0,0024 0,0022
1/Т-10І К Рис. 2. Зависимость lnt от ИТ
8 4 р * 10й, 1 /м
0 0,2 0,4 0,6 Цт.м
Рис. 3. Изменение плотности дислокаций вдоль длины двойника. Пунктиром обозначен профиль двойника
активации Е ~ 0,22 эВ процесса образования трещины. По порядку величины это значение совпадает с теоретически найденной энергией парного перегиба. Низкие значения энергии активации позволяют сделать вывод о достаточно высоком значении вероятности образования трещин на границе упругого двойника в кальците по термоактивированному механизму.
Считая упругий двойник тонким клином с малым углом рассеяния, можно по интерференционной картине определить изменение его толщины и найти зависимость р(1) (где р - плотность дислокаций, а 1 - длина двойника). Зависимость плотности дислокаций от длины двойника представлена на рис. 3. Из сопоставления результатов рис. 3 и рис. 1б видно, что в зоне зарождения разрушения плотность дислокаций максимальна, чем, по-видимому, и можно объяснить местоположение зарождения трещин.
Таким образом, экспериментально установлен термоактивированный характер образования трещин на границе упругого двойника в кальците. Показано, что трещина вскрывается в зоне максимальной плотности дислокаций в границе двойника, обусловленной немонотонным изменением его толщины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.
2. Бойко В.С., Гарбер Р.И., Косевич А.М. Обратимая пластичность кристаллов. М.: Наука, 1991. 280 с.
3. Владимирский К.В. О двойниковании кальцита II ЖЭТФ. 1947. Т. 17. Вып. б. С. 530-53б.
4. Рыбин В.В., Ханнанов Ш.Х. Учет реальной структуры скопления дислокаций в задаче о термоактивированном зарождении трещины II ФТТ. 19б9. Т. 11. Вып. 4. С. 1048-1051.
5. Финкель В.М., Федоров В.А., Королев А.П. Разрушение кристаллов при механическом двойниковании. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростов. ун-та, 1990. 17б с.
6. Федоров В.А., Тялин Ю.И. О зарождении трещин на границах двойников в кальците II Кристаллография. 1981. Т. 2б. Вып. 4. С. 775-781.
7. Классен-Неклюдова М.В. Механическое двойникование кристаллов. М.: Изд-во АН СССР, 19б0. 2б1 с.
8. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 5б0 с.
