CC BY
86
Таким образом, видно, что вследствие действия сравнительно мощного и непродолжительного лазерного импульса, приводящего к локальному нагреву материала, отмечается изменение механических характеристик на границе зоны термического влияния. Характер изменения зависит от состава: в случае сплава на основе 2г вблизи границы воздействия лазера наблюдается упрочнение, в случае сплава на основе Pd наблюдается разупрочнение. Вид кратеров в этих случаях также различен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ковнеристый Ю.К. Объемно-аморфизующиеся металлические сплавы. М.: Наука, 1999. 80 с.
2. Глезер А.М., Пермякова И..Е., Громов В.Е., Коваленко В.В. Механическое поведение аморфных сплавов. Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2006. 416 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №09-01-97514
р_центр_а)
Поступила в редакцию 16 ноября 2008 г.
Jakovlev A.V., Chernova I.V., Feodorov V.A., Barieschev G.A. Influence of laser radiation on mechanical properties of volumetric amorphous metal alloys. The change of mechanical properties of volumetric amorphous metal alloys under action of laser radiation is investigated.
Key words: volumetric amorphous alloys, compound, laser radiation, microindentation, zone of influence, zone of thermal influence.
LITERATURE
1. Kovneristiy Yu.K. Volumetric-amorphizing metal alloys. М.: Nauka, 1999. 80 pp.
2. Glezer А.М., Permyakova ГЕ., Gromov V.Е., Kovalenko V.V. Mechanical behaviour of amorphous alloy. Novokuznetsk: The Publishing House of SibGIU, 2006. 416 pp.
УДК 66.065
САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ЗАЛЕЧИВАНИЕ МИКРОТРЕЩИН
В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ
© Т.Н. Плужникова, В.А. Федоров
Ключевые слова: ионные кристаллы, залечивание, микротрещина, дислокация
Приведен краткий обзор работ, посвященных самопроизвольному и искусственному залечиванию микротрещин в ЩГК. Рассмотрены способы оценки качества залечивания микротрещин.
Исследование процесса разрушения твердого тела связано с механизмами зарождения и развития трещин. Впервые роль микротрещин в разрушении твердых тел была установлена Гриффитсом в 1921 году [1]. Гриффитс показал, что любое тело содержит макроскопические трещины, являющиеся зародышами разрушения. Опасность трещины зависит от ее размеров и ориентации по отношению к действующему напряжению. Устранение последних или частичное их заживление позволяет увеличить надежность и долговечность конструкций, сохранить их прочностные характеристики.
К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных и определен ряд закономерностей, характерных для залечивания пор и трещин в различных материалах [2-5].
1. Залечивание трещин
Впервые явление самопроизвольного залечивания (схватывания, восстановления сплошности) трещин после снятия расклинивающего напряжения было описано в 1961 году М.П. Шаскольской с сотрудниками [6].
В работе использовались щелочно-галоидные кристаллы, которые являются исключительно удобным модельным материалом для исследования напряженного состояния и дислокационной структуры вблизи вершин трещин. Совершенная спайность дает возмож-
ность получать трещину в заданной кристаллографической плоскости, а оптическая прозрачность позволяет применить метод фотоупругости. Трещины по плоскости спайности в таких кристаллах способны залечиваться самопроизвольно. Это явление назвали естественным залечиванием трещин (рис. 1). Место, где раньше находилась вершина трещины, выявляется химическим травлением в виде характерного дислокационного креста, а русло бывшей трещины строчкой дислокаций. На участке залеченной трещины кристалл упрочняется [6].
Рис. 1. Схема образования трещины в кристалле [6]
Рис. 2. Условное обозначение реанимирующей дислокации
При распространении трещин спайности в ионном кристалле возникает локальная концентрация напряжений в вершине трещины. При достижении некоторой предельной концентрации напряжений трещина продвигается вперед, напряжения в прежней области концентрации слабеют, и возникает новая область постепенно возрастающей концентрации напряжений в новом положении вершины трещины.
Дальнейшие исследования показали, что при залечивании трещин структура кристалла не восстанавливается идеально, а возникает атомный нониус, на месте слияния неизбежно образовывается ряд дислокаций, выходы которых и обнаруживаются по фигурам травления [7]. Незначительное тангенциальное смещение поверхностей трещины при сближении приводит к наложению и смятию ступеней одного знака, т. е. к образованию большого числа дислокаций и образованию пор вдоль ступеней другого знака. Тангенциальные смещения обусловлены поверхностными флуктуациями или действием поверхностных сил. Схватывание или залечивание поверхностей трещины происходит в результате смещения поверхностных атомов в положение прочной связи и превращения несоответствий в дислокации.
Явление схватывания (заключающееся в прочном сцеплении атомных решеток) изучалось в работах [8-11] в связи с широким распространением его в практике. Пластическая деформация и большие нагрузки, необходимые в этих опытах для обеспечения контакта шероховатых поверхностей и удаления поверхностных пленок, не дают возможности непосредственно изучить это явление. Поэтому авторам [9] представляется возможным исследовать схватывание образцов с полным, по возможности, соответствием рельефов сближаемых поверхностей, т. е. таких, чтобы точно против каждого выступа на одной из них располагалось углубление соответствующих рельефов на другой. С этой целью используются противоположные поверхности остановившихся трещин в кристаллах №01, ЫГ [8].
Авторами [7] установлено, что при естественном залечивании в вершине остановившейся трещины развивается пластическая деформация, и трещина становится тупой. При искусственном залечивании восстановление оптического контакта начинается у одной или обеих боковых граней вблизи фронта трещины. Залечивание трещин в изогнутых кристаллах ЩГК рассмотрено в работе [12].
Самопроизвольное залечивание трещин наблюдается также и в кальците [13-17]. Это явление интересно, т. к. монокристаллический кальцит слабо деформируется дислокационным скольжением в нормальных условиях. Торможение и остановка трещины не сопровождаются образованием заметной пластической зоны. Механизм и кинетика залечивания «упругих» каналов Розе в кальците рассмотрены в работах [18, 19].
Авторами [14] было отмечено, что на месте залеченной трещины образуется стабильная конфигурация в виде дислокационной сетки, аналогичной малоугловой границе кручения. Восстановление сплошности осложняется существованием ступеней скола на поверхности трещины. В итоге протекания мощной пластической деформации на этих ступеньках возникают скопления дислокационных петель различной ориентации и каналы, разделяющие участки восстановления сплошности.
О.Г. Сергеевой с сотрудниками [13] выяснено, что практически всегда после снятия нагрузки наблюдается обратное движение трещины. Образующийся при этом залеченный участок может составлять до 50% от первоначальной площади вскрытия. Полной обратимости трещины препятствует, по-видимому, только ее рельеф несовпадающих ступеней скола.
Первоначальной причиной восстановления сплошности кристалла без внешних усилий является релаксация напряжений, возникающих при раскрытии кристалла лезвием. После удаления лезвия она приводит к смыканию поверхностей раскола. Однако из-за продольного сдвига ступени скола накладываются друг на друга, препятствуя полному закрытию трещины. Упругая энергия берегов трещины первоначально расходуется на «смятие» наиболее крупных ступеней скола и восстановление сплошности на отдельных участках между ними.
2. Некоторые дефекты на траектории залеченной трещины
В работах [20, 21] исследовались все наблюдаемые на линии залеченной трещины ямки травления. Их можно разделить на следующие типы: 1) неглубокие слабоконтрастные (или малоконтрастные), 2) контрастные, аналогичные ямкам травления в местах выходов дислокаций в матрице, 3) глубокие черные. Плотность этих ямок в различных кристаллах варьируется в пределах от 5-105-2-106 м-1. Присутствуют они на профильной и торцевой поверхности.
Малоконтрастные ямки на залеченной трещине составляют значительное количество, а иногда и большинство. С увеличением сдавливающих нагрузок, например, от 2-106 до 6106 Па число малоконтрастных ямок падает с 91 до 17 %. Судя по тому, что линейные размеры малоконтрастных ямок в 2-10 раз меньше, чем у контрастных, это указывает на меньшую энергию дислокаций.
Малоконтрастные ямки травления, находящиеся между реанимированными частями кристалла, вероятно, свидетельствуют о восстановлении сплошности с ослабленными атомными связями. Энергия таких дислокаций меньше обыкновенных. Эти дислокации носят название «реанимирующие дислокации» (рис. 2). Малоконтрастные или реанимирующие дислокации - это результат не вполне соединившихся берегов [20].
Проведенные опыты по послойному снятию слоев материала и вторичному сжатию привели к заключению, что ямки травления 1-го и 2-го типов отвечают выходам под разными углами дислокаций, имеющих форму петель, вытянутых вдоль ступенек скола на 10-20 мкм и на порядок меньшими поперечными размерами.
В связи с этим авторам [21] представляется вероятной следующая модель образования дислокационной структуры в плоскости трещины продольного сдвига.
Из-за разворота межатомные связи смогут восстановиться лишь на небольших участках. Оценка их величины дает порядок от 0,7-2,8 мкм для углов 2'-30" соответственно. По-видимому, первоначально образовавшиеся островки с восстановленной связью окаймляются скользящими в плоскости трещины дислокационными петлями системы (001) <110>, способными в процессе сжатия расширяться, ликвидируя несоответствие по всей поверхности трещины и создавая структуру в виде, например, ромбической сетки с вытянутой вдоль ступеней ячейками.
Ямки 3-го типа отвечают выходам на поверхность стабильных дефектов, существующих на самой фракто-графической поверхности.
3. Качество залечивания трещин и методы его повышения
Известно несколько работ, посвященных исследованию качества залечивания трещин. В работе [6] отмечено, что область залечивания обладает повышенной прочностью.
В [22] приведены результаты разрыва монокри-сталлических образцов N01 с трещиной, ликвидированной при статическом сжатии. Прочность такого кристалла составляла 70-80 % от исходной прочности кристалла без трещины.
В [23] описано повторное разрушение по границе залечивания в N01. Скорость движения вторичной трещины служила индикатором качества сцепления. Наряду с участками ослабленной связи регистрировались локальные очаги повышенной сопротивляемости разрушению, связанные с пластической зоной в вершине трещины, субграницами, полосами скольжения. В целом граница залечивания проявляла пониженные прочностные свойства. Полученные результаты относились к трещинам, закрытым внешним сжатием. При этом из-за несовпадений рельефа поверхностей раскола в плоскости залечивания оставались многочисленные незалеченные участки, ослабляющие материал. Подвергая образец с сомкнутой трещиной отжигу можно добиться диффузионного распада остаточных не-сплошностей на изолированные поры [24].
Известны экспериментальные работы, подтверждающие возможность торможения быстрой трещины при взаимодействии с системой пор. Поэтому можно ожидать повышения прочности границы залечивания в результате отжига [12].
Взаимодействие дислокационных полос с залеченной трещиной также может служить индикатором залечивания. Проведение подобных экспериментов во фтористом литии [25] показало, что при пересечении дислокационных полос с залеченной трещиной 37 % из них прорывались сквозь трещину, 57 % были остановлены, 6 % «отразились». При прохождении через трещину в местах пересечений образовывались контрастные ямки, появление которых обусловлено превращением реанимирующих дислокаций в решеточные. Величина пороговых напряжений, необходимых для преодоления линиями скольжения трещины, свидетельствует о том, что плоскость реанимации соответствует границе с углом разориентировки от 3 до 5 градусов.
Влияние границ наклона на залечивание трещин в ЩГК рассмотрено в работах [26-28]. Установлено, что ступеньки скольжения на фрактографической поверхности возникают как при торможении трещины, так и в
результате пластического изгиба ее вскрытых берегов. В последнем случае после реанимации остаются незалеченные участки, ширина и высота которых зависит от расположения ступеньки скольжения относительно субграниц.
В работе [8] исследована кинетика развития трещин в кристаллах кальцита на СФР-1, в режиме фоторегистратора, по траектории залечивания. Установлено, что поры в плоскости залечивания действительно являются тормозом разрушения. Поры вызывают локальные изменения траектории трещины при непосредственном пересечении и в том случае, если плоскость трещины и границы залечивания разделены слоем материала толщиной порядка микрона.
4. Влияние внешних воздействий на залечивание микротрещин
Установлено, что кроме самопроизвольного (естественного) залечивания может наблюдаться и искусственное залечивание, связанное с внешним воздействием на кристалл.
Так, в работе [7] используется сжимающая нагрузка для восстановления оптического контакта.
Одним из методов повышения качества залечивания является схлопывание трещин при воздействии каких-либо внешних факторов (нагрева, сжатия, воздействия электрического поля и т.д.).
Слияние трещин удается вызвать искусственно, если, например, сжать кристалл. На месте слияния трещины полностью восстанавливается прозрачность кристалла. Целостность поверхности кристалла тоже не нарушена. Убедиться в том, что трещина в этой области действительно была, можно только по ряду фигур травления: каждому залеченному участку соответствует ряд фигур травления [6].
4.1. Одноосное сжатие
На фрактографической поверхности трещины имеется множество расклинивающих элементов, препятствующих залечиванию [23]. К ним относятся ступеньки скола, щепки, дефекты области остановки фронта разрушения. Морфологические особенности фрактогра-фических поверхностей становятся серьезным препятствием для залечивания. Для сближения берегов раскола необходимо обеспечить изгиб кристалла вокруг невязок за счет пластической деформации. Однако кристаллы со структурой каменной соли являются довольно хрупкими материалами. Повышение напряжений, способных обеспечить требуемое значение плотности дислокаций, приводит к разрушению образца. Приложение одноосного сжимающего напряжения вызывало сокращение площади трещины.
В.В. Слезовым [29] впервые выполнено количественное описание заживления трещин и пор путем испускания дислокационных петель под действием одноосной внешней нагрузки, превышающей некоторое пороговое значение. Генерирование петель продолжается до тех пор, пока суммарное напряжение в деформирующейся пластической зоне не понизится до порогового уровня.
По мере залечивания в результате пластической деформации, вызванной действием сжимающей нагрузки, соответствие рельефов нарушается все в большей степени. Контакт становится дискретным как при сближении любых твердых тел. При снятии нагрузки на таких участках большая часть оптического контакта
нарушается. Наблюдается разрушение по поверхности, отличной от поверхности исходной трещины [30].
Наблюдаемый процесс при сжатии близок к обратимому, однако, межатомное соответствие не сохраняется. Схватывание поверхностей трещины происходит в результате смещения поверхностных атомов в положение прочной связи и превращения несоответствия в дислокации.
Если пластическая деформация в вершине трещины подавлена, то «острая» трещина мгновенно залечивается под действием сил взаимодействия поверхностей. Залечивание трещин при удалении расклинивающей нагрузки наблюдается редко, т. к. остановившиеся трещины «тупые».
Если контакт достигается в результате значительной пластической деформации и площадь залеченных участков мала, то упругое восстановление приводит к разрыву связей.
Варьируя условия и режим реанимации, можно добиться существенного увеличения площади и качества залечивания. С этой целью изучалось сравнительное влияние различных атмосфер. Выяснилось, что одна и та же среда может оказать в одном случае негативное, а в другом позитивное значение. Например, тонкие пластины кремния с трещиной, отожженные в кислороде, восстанавливали свою прочность, а отжиг в аргоне не давал никаких результатов. В цинке - наоборот, препарирование образцов в аргоне по сравнению с обработкой на воздухе повышало их прочность в несколько раз [31].
В.М. Финкелем с сотрудниками [8] исследовалась одна из причин, препятствующая полному восстановлению прочности реанимированных кристаллов. Она связана с заклиниванием воздуха между полостями трещины. В связи с этим проанализированы возможность и вид закрытия трещины. В результате экспериментов установлено, что прочность кристаллов может восстановиться посредством квазистатического сжатия до 30-75 %. Процесс нереанимирования связан с заклиниванием воздуха между ближайшими ступеньками. Установлено, что более длинные трещины закрываются в центре, а короткие в вершинах. Сделана оценка необходимых усилий для схлопывания трещин определенных размеров. При реанимации кристалла в атмосфере возникают внутренние газонаполненные анклавы [23]. Они препятствуют смыканию берегов трещины и тем самым полному восстановлению прочности образца.
В монокристаллическом висмуте, подвергнутом одноосному сжатию, также наблюдается залечивание трещин [32]. Процессы разрушения и залечивания трещин скола в данном кристалле контролируются двойникованием. Образцы висмута подвергались одноосному сжатию, в направлении ортогональном плоскости раскола, либо гидростатическому обжиму давлением до 2500 атм. Эффективность восстановления сплошности оценивалась по прочности на отрыв реанимированных кристаллов. Выяснилось, что максимальная прочность восстанавливается на образцах, разрушенных по плоскости совершенной спайности (111). Напряжения разрыва кристаллов с залеченной трещиной (110) на порядок уступают этому значению. Скол по (11!) не залечивается вообще. Это связано с тем, что плотность ступеней скола по (111) равна 2,2 • 104 м-1, а на плоскостях (110) и (111) соответст-
венно в 3-4 и 10-15 раз больше. Таким образом, корреляция между совершенством поверхности разрушения и способностью к восстановлению сплошности сомнений не вызывает. Реанимировать висмут можно лишь предварительным совмещением берегов раскола. Если при разрушении двойникование в вершине трещины обуславливает ее вскрытие, то раздвойникование влечет за собой смыкание полости разрыва.
При смыкании трещины внешним сжатием в кальците [12] процесс двойникования по-разному влияет на залечивание. В зависимости от взаимной ориентации направления двойникового сдвига и плоскости трещины двойникование либо препятствует, либо способствует заживлению.
4.2. Тепловое воздействие на кристаллы
Благоприятное влияние на формирование контакта
между фрактографическими поверхностями оказывает и тепловая обработка образцов, при этом не только повышается прочность границы залечивания [33], но и экспоненциально сокращается время восстановления сплошности [12].
В работе [9] экспериментально прослежена кинетика залечивания глубоких трещин в монокристаллах ЫаС1 в области предплавильных температур. Трещины располагались вдоль плоскости спайности и имели угол при вершине от 6' до 30. Авторами работы показано, что залечивание трещины осуществляется переносом вещества через газовую фазу в область ее устья и сопровождается смыканием трещины, т. е. уменьшением угла при ее вершине. При нагреве кристаллов ЫаС1 с трещиной до температуры 1000 К происходит смещение устья трещины. В смещающемся устье трещины возникает множество выступов, в совокупности образующих изъязвленный фронт перемещающегося устья. Кроме этих мелких выступов наблюдается рост денд-ритов. Дендриты имеют форму перемычек, замыкающих поверхности, которые ограничивают трещину.
Залечивание трещин при таком подходе сопровождается двумя факторами: 1) смыканием трещины, сопровождающимся изменением угла при ее вершине, 2) переносом вещества из плоских участков профиля трещины к ее устью.
Перенос вещества может осуществляться различными механизмами: 1) объемной диффузией, 2) поверхностной диффузией, 3) переносом вещества через газовую фазу.
При изучении температурного залечивания кристаллов кальцита установлено, что формирование контакта между поверхностями раскола является продолжительным процессом. Отжиг образца с захлопнувшейся трещиной позволяет значительно сократить время залечивания. Экспериментально определенная зависимость времени залечивания трещины от температуры соответствует экспоненте: t = Aeв 1 ^, где в -энергия активации процесса залечивания, А - экспериментально определенный коэффициент для кристаллов кальцита, равный 10-3 с [13].
4.3. Залечивание трещин при гидростатическом обжатии
Трещина в щелочно-галоидных кристаллах помимо моды разрыва обладает и продольным сдвигом, при одноосном сжатии морфологические особенности фрактографических поверхностей становятся серьез-
ным препятствием для залечивания. Для сближения берегов раскола необходимо обеспечить изгиб кристалла за счет пластической деформации. Кристаллы со структурой каменной соли являются довольно хрупкими материалами, и повышение напряжений, способных обеспечить требуемое значение плотности дислокаций, приводит к разрушению образца.
В работе [34] для выявления предельных условий залечивания для кристаллов фтористого лития было использовано гидростатическое сжатие с давлением от 0,01 до 1,4 кбар (скорость нагружения 0,2 кбар/мин.), интенсифицирующее пластическое течение хрупких материалов без разрушения кристалла в целом. Установлено, что этот метод более эффективен, чем одноосное сжатие. Степень залечивания 51 (81 = I /1 „ ,
зал общ
где 1 - длина залеченной части, / - общая длина
зал ’ общ
трещины) при таком подходе возрастала в 2-7 раз по отношению к одноосному сжатию.
Степень залечивания зависит от углов разориенти-ровки. Все трещины с углами до 1 минуты залечивались до 70 % своей длины. При больших углах качество реанимации определяется количеством и размерами расклинивающих препятствий на фрактографических поверхностях.
При развороте половинок кристалла на угол более 1° реанимации кристалла не происходило [35], при параллельных смещениях даже на величину 100-300 мкм трещины залечивались до 70 % своей первоначальной длины.
4.4. Залечивание при циклическом нагружении
Закрытие трещины происходит и при циклическом нагружении - в фазе сжатия или при уменьшении растягивающих усилий. При этом смыкание берегов раскола и сжимающие нагрузки создают условия, способствующие восстановлению сплошности.
В работе [36] исследовались возможности восстановления сплошности при циклическом нагружении. Образцы ЬіЕ с макроскопическими трещинами спайности подвергали воздействию нагрузки с количеством циклов от 2 до 104.
Выявлено, что при пульсирующем растяжении, а также при знакопеременном нагружении с преобладанием растягивающих нагрузок число циклов до разрушения составляет 104. В случае нагрузок на сжатие выносливость весьма мала 50 циклов и с ростом сжимающих напряжений уменьшается. Микроскопическое исследование фрактографической поверхности разрушения показало, что при преобладании усилий сжатия характерно закрытие и частичное залечивание трещины. Островки залечивания имеют разнообразные формы и размеры от 1 до 100 мкм и составляют 5-60 % площади смыкания.
Авторами отмечено, что залеченные участки трещины разрушаются после небольшого количества циклов нагружения. Формирующаяся на границе закрытия и залечивания пластическая зона в силу своей прерывистости и неоднородности не может служить эффективным тормозом распространения разрушения. Разрыв залеченных участков приводит к скачкообразному росту напряжений в области вершины трещины.
Эволюция пластической зоны в ЬіЕ с трещиной при циклическом нагружении рассмотрена также в работе [37]. Методом фотоупругости исследовано изменение
полей остаточных напряжений в монокристаллическом фториде лития с трещиной. Кристаллы подвергали циклическому напряжению. После испытаний (103-104 циклов пульсирующего растяжения, <гшах = 1,3 МПа) авторами
наблюдались существенные изменения нормальных и сдвиговых компонент тензора напряжений, локализованные в области вершины трещины с характерным размером порядка миллиметра. Проведено сравнительное микроскопическое исследование дислокационной структуры пластической зоны в испытанных и контрольных образцах, выявившее значительный рост числа дислокаций зоны после циклического нагружения [38].
4.5. Комбинированное воздействие теплового и электрического полей
Комбинированное воздействие теплового и электрического полей также приводит к восстановлению незалеченных областей. В работах [39, 40] показано, что воздействие на ЩГК электрическим полем при одновременном нагреве приводит к залечиванию трещин по плоскостям {110} и {100}. Участок залеченной трещины располагается между электродами и составляет до 97 % залечиваемой поверхности. Заживление не сопровождается образованием градиентов напряжений. Предел прочности (по касательному напряжению) участков с восстановленной сплошностью составляет « 2 кг/мм2, а прохождение дислокаций при индентиро-вании через залеченный участок и в чистом кристалле идентично, что указывает на достаточно высокую степень восстановления структуры материала. Механизм залечивания при таком подходе представляется следующим. На начальной стадии залечивания происходит изменение поверхностей трещины, проявляющееся в низкотемпературном интервале проводимости в виде изменения дислокационных розеток, расположенных на обеих поверхностях дефекта напротив друг друга, а в высокотемпературном - в виде монокристаллических наростов, расположенных на положительно заряженной поверхности трещины в местах дислокационных розеток и образующих участки локального залечивания. Возникновение дислокационных розеток и кристаллических наслоений обусловлено: 1) эмиссионным ионным током между берегами трещины; 2) механоэмиссией ионов; 3) рекомбинационной кристаллизацией.
4.6. Влияние видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучения на залечивание микротрещин
В работе [41] предложена методика получения са-мозалечивающихся трещин, основанная на асимметричном сколе кристалла и дальнейшего облучения области трещины видимым, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Для ЩГК определены кинетические параметры роста и залечивания трещин асимметричного скола. Оценено характерное время раскрытия трещины перед самозалечиванием, что дало возможность определить размеры поверхностей трещин, сохраняющих ювенильность.
Экспериментально установлена взаимосвязь дислокационной микропластичности в вершине остановившейся в кристалле трещины с качеством и величиной залеченного участка. Показано, что в окрестности вершины залечившейся трещины имеется зона, свободная от дислокаций. Выделены две стадии залечивания: «быстрая», связанная с разгрузкой образца и обуслов-
ленная релаксацией упругой энергией, запасенной в кристалле, и «медленная», заключающаяся в залечивании пустотного канала в вершине трещин в результате диффузионных процессов и активизированной пластичности.
Аналитически рассмотрено распределение дислокаций в лучах дислокационного «креста» в вершине трещины в момент ее остановки и после полной разгрузки кристалла. Пластическая зона моделировалась одиночными линиями и полосами скольжения. Для обеих стадий определено число дислокаций, испущенных трещиной при ее остановке, изучено их распределение вдоль линии скольжения. Показано наличие в непосредственной близости от вершины трещины зон, свободных от дислокаций, и определены их размеры в зависимости от соотношения сил трения, изображения и взаимодействия между дислокациями. Отмечена высокая степень корреляции результатов расчета и экспериментальных данных [42].
Показано [43-47], что нагрев или нагрев и одновременное воздействие электромагнитного излучения от оптического диапазона до рентгеновского активизирует на «медленной» стадии процессы самозалечивания трещин за счет разблокировки стопоров, увеличения подвижности дислокаций и, как следствие, повышает качество залечивания и величину залеченного участка. При этом наибольший эффект наблюдается при воздействии малых доз рентгеновского излучения.
Предложен экситонно-дислокационный механизм залечивания микротрещин [47] при воздействии электромагнитного излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Griffith. Phil. Trans.Roy. Soc., A221,163, 1921; First
Int.Conf.Appl.Mech.
2. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. 376 с.
3. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977. 360 с.
4. Лариков Л.Н. Залечивание дефектов в металлах. Киев: Наукова думка, 1980. 219 с.
5. Черемской П.Г., Слезов В.В., Бетехтин В.И. Поры в твердом теле. М.: Энегоатомиздат, 1990. 373 с.
6. Шаскольская М.П., Ван Янь-Вэнь, Гу Шу-Чжао. О возникновении дислокаций при распространении и слиянии трещин в ионных кристаллах // Кристаллография. 1961. Т. 6. № 4. С. 605-613.
7. Грдина Ю.В., Неверов В.В. Залечивание трещин в кристаллах каменной соли // Кристаллография. 1967. Т. 12. № 3. С. 493-498.
8. Финкель В.М., Сергеева О.Г., РувинскийМ.А., Фомин И.М. Восстановление прочности на трассе залеченной трещины // Кристаллография. 1994. Т. 39. № 5. С. 933-935.
9. Гегузин Я.Е., Овчаренко Н.Н., Воробьева И.В. Исследование явлений на поверхности монокристаллов. О механизме и кинетике залечивания глубоких трещин на поверхности ионных монокристаллов // Кристаллография. 1965. Т. 10. № 3. С. 371-390.
10. Burns S.J. Crack tip dislocation nucléation observation in bulk specimens // Scr. Metallurgiga. 1986. V. 20. № 10. P. 1489-1494.
11. Инденбом В.Л. О критериях разрушения и дислокационных теориях прочности // ФТТ. 1961. Т. 3. № 7. С. 2071-2079.
12. Финкель В.М., Иванов В.П., Зайцева О.П., Тялин Ю.И. Залечивание трещин в изогнутых кристаллах // ФТТ. 1985. Т. 27. № 10. С. 31193121.
13. Финкель В.М., Сергеева О.Г. Залечивание трещин в кристаллах кальцита // ФТТ(Л). 1987. Т. 29. № 3. С. 857-860.
14. Финкель В.М., Сергеева О.Г., Шегай В.В. Самозалечивание острой трещины в CaCO3 // Кристаллография. 1991. Т. 36. № 1. С. 170174.
15. Финкель В.М., Сергеева О.Г., Шегай В.В. Залечивание трещин в CaCO3 без внешней нагрузки // Деп. в ВИНИТИ 27 авг.1987 г. № 6343-В87. 21 с.
16. Hickman Stephen H., Evans Brian. Influence of geometry upon crack healing rate in calcite // Phys. and Chem. Miner. 1987. V. 15. № 1. P. 91-102.
17. Kumosa Maciej. Crack and slip phenomena at the tip of a terminated twin // Materials science and engineering A. 1986. V. 77. P. 37-44.
18. Финкель В.М., Сергеева О.Г., Шегай В.В., Фомин И.М. Двойнико-вание и каналы Розе при залечивании трещин // Кристаллография. 1991. T. 36. № 4. С. 969-976.
19. Федоров В.А., Финкель В.М., Плотников В.П., Куранова В.А. Механизм и кинетика залечивания «упругих» каналов Розе в кальците // Кристаллография. 1991. Т. 36. № 5. С. 1322-1324.
20. Финкель В.М., Конкин Б.Б. Виды дислокаций на залеченной трещине // ФТТ. 1983. Т. 25. № 5. С. 1553-1555.
21. Финкель В.М., Кургановская Л.А., Сафронов В.П. Некоторые дефекты залеченной трещины // ФТТ. 1985. Т. 27. № 1. С. 189-191.
22. Финкель В М., Конкин Б.Б. Об одном препятствии реанимации кристалла с трещиной // ФТТ. 1983. Т. 25. № 3. С. 804-807.
23. Финкель В.М., Фомин И. М., Конкин Б.Б., Кургановская Л.А. Движение быстрой трещины в реанимированном кристалле // «Поверхность: Физ., химия, мех.». 1984. № 9. С. 91-95.
24. Владимиров В.И., Приемский Н.Д. Микронесплошности в пластической зоне перед вершиной трещины разрыва // ФТТ. 1982. Т. 24. № 6. С. 1884-1886.
25. Финкель В.М., Конкин Б.Б. Взаимодействие дислокационных полос с залеченной трещиной // ФТТ. 1984. Т. 26. № 1. С. 269-271.
26. Финкель В.М., Дорохова Н.В. Залечивание трещин в кристаллах с винтовыми и смешанными границами // ФТТ. 1988. Т. 30. № 11. С. 3521-3523.
27. Финкель В.М., Дорохова Н.В. Декорирование залеченной трещины // ФТТ(Л). 1990. Т. 32. № 10. С. 3136-3139.
28. Финкель В.М., Дорохова Н.В. Влияние границ наклона на залечивание трещин в ЩГК // ФТТ. 1988. Т. 30. № 6. С. 1894-1896.
29. Слезов В.В. Теория дислокационного механизма роста и залечивания пор и трещин под нагрузкой // ФТТ. 1974. Т. 16. № 3. С. 785794.
30. Слезов В.В., Яковский В.В. Влияние стопоров на дислокационный механизм роста и залечивания пор под нагрузкой // ФММ. 1972. Т. 44. № 4. С. 698-703.
31. Дорохова Н.В. Исследование процессов формирования фрактогра-фического рельефа и его влияния на залечивание трещин в ряде монокристаллов: дис. канд. физ.-мат. наук. Ростов-н/Д, 1994. 154 с.
32. Финкель В.М., Ваган В.А., Сафронов В.П. Залечивание трещин в монокристаллическом висмуте // Кристаллография. 1989. Т. 34. № 6. С. 1508-1512.
33. Финкель В.М., Рувинский М.А., Кургановская Л.А., Сергеева О.Г. Залечивание трещин {110} в монокристаллах LiF // ФТТ. 1988. Т. 30. № 2. С. 210-214.
34. Финкель В.М., Кургановская Л.А., Рувинский М.А. Особенности реанимации кристалла с трещиной при гидростатическом обжатии // ФТТ. 1987. Т. 29. № 3. С. 868-871.
35. Akimov G. Ya., Prorhorow I. Yu. Plastic stress relaxation during crack arrest in hydrostatically compressed akali-halide crystals // Phys. status solidi. 1987. a103. № 1. Р. 115-124.
36. Рувинский М.А., Сергеева О.Г., Фомин И.М. Роль залечивания в циклическом нагружении LiF с трещиной // ФТТ. 1995. Т. 37. № 2. С. 558-561.
37. Рувинский М.А., Сергеева О.Г., Шегай В.В. Эволюция пластической зоны в LiF с трещиной при циклическом нагружении // Кристаллография. 1998. Т. 43. № 1. С. 99-101.
38. Орлова Т.А., Смирнов Б.И., Степанов В.А., Шпейзман В.В. Эволюция дислокационной структуры и разрушение кристаллов LiF при циклических нагрузках // ФТТ. 1982. Т. 24. № 4. С. 1102-1109.
39. Иванов В.П., Карыев Л.Г., Федоров В.А. Залечивание трещин в щелочногалоидных кристаллах ионным током // Кристаллография. 1995. Т. 40. № 1. С. 117-121.
40. 40. Федоров В.А., Карыев Л.Г., Николюкин А.М., Иванов В.П. Поведение поверхностей скола щелочногалоидных кристаллов в электрическом поле при одновременном нагреве // ФТТ. 1996. Т. 38. № 2. С. 664-666.
41. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Тялин Ю.И. Залечивание трещин, остановившихся при несимметричном сколе в щелочногалоидных кристаллах и кальците // ФТТ. 2000. Т. 42. № 4. С. 685-687.
42. Тялин Ю.И., Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Куранова В.А. Аналитическая оценка распределения дислокаций в вершине остановившихся трещин // ФТТ. 2000. Т. 42. № 7. С. 1253-1255.
43. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Tyalin Yu.I., Chivanov A.V. Healing of microcracks in alkali-halide under influence X-ray // SPIE. 2002. V. 5127. Р. 252-254.
44. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Чиванов А.В., Поликарпов В.М.. Попов В.Ф. Стимулирование залечивания микротрещин в ионных кристаллах воздействием малых доз рентгеновского излучения // Изв. АН. Сер. физическая. 2003. Т. 67. № 6. С. 857-859.
45. Плужникова Т.Н., Федоров В.А., Чемеркина М.В., Чиванов А.В. Залечивание микротрещин в ионных кристаллах при воздействии
ультрафиолетового излучения // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 2003. Т. 8. № 4. С. 607-609.
46. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Chivanov A.V., Chemerkina M.V., Kirillov R.A. Influence of small dozes ultra-violet radiation on motion of dislocation in alkali-halide crystals// Journal of Guangdong non-ferrous metals. 2005. V. 15. № 2, 3. P. 147-148.
47. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Tyalin Yu.I., Chivanov A.V., Chemerkina M.V., Kirillov R.A. Mechanism of healing microcracks in alka-li-halide crystals // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6253. 63530 K.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №09-01-97514
р_центр_а).
Поступила в редакцию 17 ноября 2008 г.
Pluzhnikova T.N., Fedorov V.A. Spontaneous and artificial crack healing in alcali-halide crystals. The brief review of works devoted to spontaneous and artificial curing of microcracks in alkali-halide crystals is resulted. Ways of an estimation of quality curing microcracks are considered.
Keywords: ionic crystals, healing, microcrack, dislocation.
LITERATURE
1. Griffith. Phil. Trans.Roy. Soc., A221,163, 1921; First
Int.Conf.Appl.Mech.
2. Finkel У.М. Physics of Fracture. М.: Metallurgy, 1970. 376 pp.
3. Finkel У.М. Physical bases of destruction slow-down. М.: Metallurgy, 1977. 360 pp.
4. Larikov L.N. Healing of Defects in Metals. Kiev: Naukova Dumka, 1980. 219 pp.
5. Cheremskoy P.G., Slezov V.V., Betekhtin V.I. Pores in a Solid. М.: Enegoatomizdat, 1990. 373 pp.
6. Shaskolskaya М.Р., Van Yan-Van, Gu Shu-Chzhao. On emergence of dislocations during spreading and cracks coalescence in ionic crystals // Crystallography. 1961. V. 6. № 4. P. 605-613.
7. Grdina Yu.V., Neverov V.V. Healing of Defects in Mine Salt Crystals // Crystallography. 1967. V. 12. № 3. P. 493-498.
8. Finkel V.М., Sergeeva O.G., Ruvinskiy М.А., Fomin 1.М. Strength recovery at the route of the crack healed // Crystallography. 1994. V. 39. № 5. P. 933-935.
9. Geguzin Ya.Е., Ovcharenko N.N., Vorobyeva I.V. research of phenomena at the surface of monocrystals. On the mechanism and kinetics of healing deep fractures on the surface of ionic monocrystals // Crystallography. 1965. V. 10. № 3. P. 371-390.
10. Burns S.J. Crack tip dislocation nucleation observation in bulk specimens // Scr. Metallurgiga. 1986. V. 20. № 10. P. 1489-1494.
11. Indenbom V.L. On the fracture criteria and dislocation theories of
strength // FTT. 1961. V. 3. № 7. P. 2071-2079.
12. Finkel V.М., Ivanov V.P., Zatseva О.Р., Tyalin Yu.I. Crack healing in bent crystals // FTT. 1985. V. 27. № 10. P. 3119-3121.
13. Finkel V.М., Sergeeva O.G. Crack healing in calcite crystals // FTT(L). 1987. V. 29. № 3. P. 857-860.
14. Finkel V.М., Sergeeva O.G., Shegai V.V. Self-healing of a sharp crack
in CaCO3 // Crystallography. 1991. V. 36. № 1. P. 170-174.
15. Finkel V.М., Sergeeva O.G., Shegai V.V. Crack healing in CaCO3 without external load // Dep. in VINITI 7 Aug 1987. № 6343-В87. 21 pp.
16. Hickman Stephen H., Evans Brian. Influence of geometry upon crack healing rate in calcite //Phys. and Chem. Miner. 1987, V. 15. № 1. P. 91-102.
17. Kumosa Maciej. Crack and slip phenomena at the tip of a terminated twin // Materials science and engineering A. 1986. V. 77. P. 37-44.
18. Finkel V.М., Sergeeva O.G., Shegai V.V., Fomin 1.М. Twinning and Roze channels in crack healing // Crystallography. 1991. V. 36. № 4. P. 969-976.
19. Feodorov V.A., Finkel КМ., Plotnikov V.P., Kuranova V.A. Mechanism and kinetics of healing "resilient" Roze channels in calcite // Crystallography. 1991. V. 36. № 5. P. 1322-1324.
20. Finkel V.М., Konkin B.B. Types of dislocations on the crack healed // FTT. 1983. V. 25. № 5. P. 1553-1555.
21. Finkel V.M., Kurganovskaya L.A., Safronov V.P. Some defects of the crack healed // FTT. 1985. V. 27. № 1. P. 189-191.
22. Finkel V.M., Konkin B.B. On one restriction of revivification of crystal with a crack // FTT. 1983. V. 25. № 3. P. 804-807.
23. Finkel V.M., Fomin I.M., Konkin B.B., Kurganovskaya L.A. Movement of a quick crack in a revived crystal // «Surface: Phys., Chem, Mech.». 1984. № 9. P. 91-95.
24. Vladimirov V.I., Priemskiy N.D. Micro-discontinuity flaws in a plastic zone before the top of a fracture crack // FTT. 1982. V. 24. № 6. P. 1884-1886.
25. Finkel VIM., Konkin B.B. Interaction of dislocation stripes with a crack healed // FTT. 1984. V. 26. № 1. P. 269-271.
26. Finkel V.M., Dorokhova N. V. Crack healing in crystals with spiral and mixed boundaries // FTT. 1988. V. 30. № 11. P. 3521-3523.
27. Finkel V.M., Dorokhova N.V. Decoration of a crack healed // FTT(L). 1990. V. 32. № 10. P. 3136-3139.
28. Finkel V.M., Dorokhova N. V. The influence of tilt boundaries on healing cracks in alkali-halide crystals // FTT. 1988. V. 30. № 6. P. 1894-1896.
29. Slezov V.V. Theory of dislocation mechanism of growth and healing pores and cracks under the load // FTT. 1974. V. 16. № 3. P. 785-794.
30. Slezov V.V., Yakovskiy V.V. Influence of stoppers on dislocation mechanisms of growth and healing pores under the load // FMM. 1972. V. 44. № 4. P. 698-703.
31. Dorokhova N.V. Research of the processes of forming fractographic relief and its influence on healing cracks in a number of monocrystals: Thesis of Cand. of Phys. and Math. Sci. - Rostov-on-Don, 1994. 154 pp.
32. Finkel V.M., Vagan V.A., Safronov V.P. Crack healing in a monocrystal-lic bismuth // Crystallography. 1989. V. 34. № 6. P. 1508-1512.
33. Finkel V.M., Ruvinskiy M.A., Kurganovskaya L.A., Sergeeva O.G. Crack healing {110} in monocrystals LiF // FTT. 1988. V. 30. № 2. P. 210-214.
34. Finkel V.M., Kurganovskaya L.A., Ruvinskiy M.A. Peculiarities of revivification of a crystal with a crack under hydrostatic compression // FTT. 1987. V. 29. № 3. P. 868-871.
35. Akimov G. Ya., Prorhorow I. Yu. Plastic stress relaxation during crack arrest in hydrostatically compressed alcali-halide crystals // Phys. status solidi. 1987. a103. № 1. P. 115-124.
36. Ruvinskiy M.A., Sergeeva O.G., Fomin l.M. The role of healing in cyclic load LiF with a crack // FTT. 1995. V. 37. № 2. P. 558-561.
37. RuvinskiyM.A., Sergeeva O.G., Shegai V.V. Evolution of plastic zone in LiF with a crack under cyclic load // Crystallography. 1998. V. 43. № 1. P. 99-101.
38. Orlova T.A., Smirnov B.I., Stepanov V.A., Shpeizman V.V. Evolution of dislocation structure and destruction of crystals LiF under cyclic loads // FTT. 1982. V. 24. № 4. P. 1102-1109.
39. Ivanov V.P., Kariev L.G., Feodorov V.A. Crack healing in alkali-halide crystals with ionic current // Crystallography. 1995. V. 40. № 1. P. 117-121.
40. Feodorov V.A., Kariev L.G., Nikolyukin AM., Ivanov V.P. Behaviour of alkali-halide crystal cleavage surface in the electric field under the simultaneous heating // FTT. 1996. V. 38. № 2. P. 664-666.
41. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Tyalin Yu.I. Healing of cracks arrested in case of asymmetrical split in alkali-halide crystals and calcite // FTT. 2000. V. 42. № 4. P. 685-687.
42. Tyalin Yu.I., Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Kuranova V.A. Analytical assessment of dislocation distribution at the top of cracks arrested // FTT. 2000. V. 42. № 7. P. 1253-1255.
43. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Tyalin Yu.I., Chivanov A.V. Healing of microcracks in alkali-halide under influence X-ray // SPIE. 2002. V. 5127. P. 252-254.
44. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Chivanov A.V., Polikarpov V.M., Popov V.F. Stimulation of healing microcraks in ionic crystals under the influence of small doses of X-ray emission // Izvestiya AS. Ser. Physics. 2003. V. 67. № 6. P. 857-859.
45. Plushnikova T.N., Feodorov V.A., Chemerkina M.V., Chivanov A.V. Healing of microcracks in ionic crystals under the influence of X-ray // Reports of Tambov State University. 2003. V. 8. № 4. P. 607-609.
46. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Chivanov A.V., Chemerkina M.V., Kirillov R.A. Influence of small dozes ultra-violet radiation on motion of dislocation in alkali-halide crystals// Journal of Guangdong non-ferrous metals. 2005. V. 15. № 2, 3. P. 147-148.
47. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Tyalin Yu.I., Chivanov A.V., Chemerkina M.V., Kirillov R.A. Mechanism of healing microcracks in alka-li-halide crystals // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6253. 63530 K.
