CC BY
27
УДК 539.3
ЗАЛЕЧИВАНИЕ ТРЕЩИН В ЩЕЛОЧНОГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ
© Ю.И. Тялин, В.А. Тялина, М.В. Чемёркина, А.А. Бутягин, В.А. Федоров
Tyalin Yu.l., Tyalina V.A.. Chcmcrkina M.V., Butyagin A.A., Fcodorov V.A. Healing of cracks in alkali-halide crystals. It was investigated the healing of micro - and macrocracks by local healing and .r-ray radiation of LiF monocrystals. It were described the basic features of healing, which were connected with local character of influence. It was estimated the contribution of the plastic zone formed at a stop and healing of the crack to the strength of crystals with partly healed cracks.
К настоящему времени имеется достаточно большое количество работ, посвященных исследованию залечивания трещин. Явление залечивания в основном наблюдалось и изучалось на щелочногалондных и ионных кристаллах с хорошо выраженной спайностью [I]. Описаны основные особенности процесса залечивания под действием сжимающих нагрузок [2] и самозалечи-вание трещин, имеющее место при остановке трещины и быстрой разгрузке образца (например, за счет бокового откола) [3, 4). Определенное внимание уделялось влиянию внешних факторов (нагрев, электрическое поле) на восстановление сплошности кристаллов и его прочностных свойств [5].
В данной работе изучалась возможность залечивания трещин в щелочно-галоидных кристаллах 1пР при локальном механическом воздействии на ее вершину. Локальная нагрузка в вершине трещины создавалась в результате нагрева или рентгеновского облучения материала в малой окрестности вершины трещины. В этом случае в зоне воздействия образуются сжимающие напряжения, которые можно использовать для восстановления нарушенной сплошности. Отличие данных схем нагружения образцов состоит в том, что температурные напряжения после охлаждения образца исчезают, а напряжения, созданные при облучении, могут существовать в кристалле достаточно долго и удерживать трещину в закрытом состоянии даже в том случае, если сплошность материала не восстановится.
Основными задачами работы в связи с этим являлось: 1) выбор режимов и схем локального воздействия на вершину трещины, обеспечивающих восстановление сплошности материала в вершине трещины; 2) разработка методики и проведение прямых измерений прочности образцов с залеченной трещиной.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на оптически прозрачных монокристаллах ЫР. Из крупных блоков по плоскостям спайности выкалывали призматические образцы размером 3x8x40 мм. В образцах создавалась зародышевая трещина длиной I. = (20-30) мм. Трещина располагалась симметрично относительно широкой грани образца.
Дислокационную структуру вершины остановившейся трещины выявляли химическим травлением
образцов в растворе хлористого железа РеОз. Травлению подвергались только свежие поверхности образца. Для этого исходный образец раскалывали на две части по плоскости (100). На одной части фиксировалась исходная дислокационная структура в вершине трещины. Трещина в другой части кристалла залечивалась, и затем также изучалось изменение пластической зоны в ее вершине.
В исходном образце линии скольжения в виде характерного дислокационного «креста» образуются только в местах остановки трещины. Получение нужной длины трещины достигалось скачкообразным продвижением ее под действием малой ударной нагрузки. Длина отдельного скачка трещины при этом составляла (2-3) мм.
Использовалось несколько схем залечивания трещины - локальный нагрев, облучение, сжатие. Для нагрева образцов использовали медный стержень, температура которого могла меняться от 100 до 350 °С. Применяли односторонний и двухсторонний нагрев. Облучение образцов проводили на аппарате ДРОН-2 при напряжении на трубке 25-30 кВ и токе 8-10 мА. Этим параметрам облучения соответствует доза 3 р/мин. Сжатие осуществляли либо с помощью призмы, либо с помощью струбцины. В некоторых опытах воздействие было комбинированным - образец, слегка поджатый в струбцине, локально нагревался в области вершины трещины.
Часть экспериментов проводилась на микротрещи-нах, образующихся при индентировании кристаллов. Такие трещины появляются при определенной ориентации пирамиды нндентора относительно плоскостей спайности кристалла. Они имеют дискообразную форму и залегают в плоскостях (110). В этих экспериментах оптическим методом измерялась длина трещин до и после теплового воздействия на образцы.
Для оценки качества залечивания макротрещин проводились механические испытания образцов с исходной и залеченной трещиной. При этом фиксировались длинна трещины /. и критическое усилие разрыва образца /\ По этим данным определялся коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины [6]:
„ 2-\/3£/г
' " и*/* ’
где Л - полуширина образца, (о - его толщина.
ЗАЛЕЧИВЛМИЕ МИКРОТРЕЩИН
Для получения микротрещин при индентировании использовались нагрузки 50, 100 и 200 Г. При таких нагрузках характерный размер образующихся трещин составлял 20-60 мкм (см. рис. 1). На небольшой площадке создавалось несколько уколов. Затем эта площадка подвергалась либо тепловому нагреву, либо облучению рентгеновскими лучами через свинцовую маску с отверстием диаметром 2 мм. Фиксировались размеры трещин до и после воздействия. В опытах по локальному тепловому воздействию мы не обнаружили изменения длины микротрещины. При рентгеновском облучении отмечено небольшое уменьшение их размеров (см. табл. I).
Время облучения для всех образцов составляло 2 часа. При меньших выдержках (порядка 20 мин.) какого-либо эффекта отмечено не было. Можно ожидать, что при больших дозах облучения эффект будет усиливаться. Хотя отсутствие залечивания при температурном воздействии говорит о том, что микротрещи-ны, образующиеся при индентировании, являются достаточно «жесткими». Это может быть связано с их геометрией и ориентацией. Они распространяются по
Рис. 1. Микротрещины при индентировании
Таблица 1
№ образцов № трещины Размер до воздействия Размер после воздействия
1 1 91 82
2 77 70
3 79 79
4 65 65
2 1 42 39
2 103 91
3 112 108
4 78 75
3 1 161 155
2 148 140
3 124 123
4 192 184
4 1 132 118
2 116 126
3 121 130
4 149 141
плоскости {ПО}, не являющейся плоскостью спайности. Трещины в таких плоскостях имеют сильно развитый рельеф, препятствующий залечиванию. Травление облученных образцов не выявляло канавок, характерных для участков залеченных трещин. Это говорит о том, что в данном случае имеет место только частичное восстановление оптического контакта.
ЗАЛЕЧИВАНИЕ МАКРОТРЕЩИН
На образцах с макротрещинами эффект залечивания проявляется более отчетливо. Опишем его основные особенности. Как правило, при первом тепловом воздействии на образец исходная трещина закрывается на 2-3 мм.
Чаще всего трещина залечивается полностью по всей указанной длине. Фронт исходной трещины не является прямолинейным. Он слегка изогнут в сторону движения трещины. Изгиб больше у образцов с малой толщиной. С ростом толщины образца фронт трещины распрямляется, но овальная форма сохраняется для всех размеров кристаллов, использующихся в наших экспериментах.
В первых экспериментах использовался односторонний нагрев образца. Геометрические особенности залечивания трещин в этом случае иллюстрирует рис. 2. Видно, что по глубине образца трещина залечивается не одинаково.
Длина залеченного участка, примыкающего к индуктору, больше, чем в глубине и на противоположной стороне образца. Эта неоднородность проявляется ярче, чем больше толщина образца. Более однородное залечивание получается при двухстороннем нагреве образца.
В этом случае образец более равномерно прогревается по глубине, и вся вершина трещины попадает в зону сжимающих напряжений. Обращает внимание то, что фронт залеченной трещины изогнут в сторону, противоположную исходной. Это может быть связано с тем, что в центре образца рельефы противоположных берегов трещины совпадают лучше, чем на краях. На краю образца чаще наблюдаются микросколы, которые могут препятствовать сближению берегов трещины и ее залечиванию.
Предпринималась попытка залечить трещину на большем участке, для этого зону нагрева смещали к началу трещины по мере ее залечивания. Фрагменты залеченной трещины приведены на рис. 3.
|| К
а) б) в)
Рис. 2. Форма исходной и залеченной трещин: а) исходная трещина; б) одностороннее воздействие; в) двухстороннее воздействие
Рис. 4. Дислокационная структура залеченной трещины
Рис. 6. Критические усилия разрыва образцов с трещиной
Залечивание уже не является столь совершенным, как в первом случае. Если при первоначальном залечивании области, примыкающие к вершине, практически не содержат дефектов закрытия, то с удалением от вершины качество залечивания снижается. Незалеченные участки могут встречаться как у края образца, так и в его центре. Наблюдение формы залеченной трещины с помощью микроскопа позволяет судить только о восстановлении оптического контакта. Поэтому дополнительно проводилось травление образцов с залеченной трещиной (см. рис. 4).
Хорошо различимы пластическая зона в вершине трещины, участок залеченной трещины и незакрыв-шаяся трещина.
При малых температурах нагрева и в случае жестких кристаллов закрытие трещины идет в результате скольжения по тем же полосам и линиям, которые формируются в процессе остановки трещины. Не наблюдаются новые интенсивные зоны пластической деформации. В мягких кристаллах и при максимальных температурах нагрева зоны термического влияния деформируются значительно.
Отмечается не только увеличение размеров полос в вершине исходной трещины, но и интенсивная пластическая деформация в зоне термического контакта.
Анализ картин травления образцов с залечившимися трещинами показывает, что в большинстве образцов при залечивании восстанавливается не только оптический контакт, но и сцепление между противоположными берегами трещины. Причем качество залечивания выше в областях, примыкающих к вершине трещины. Здесь травлением в некоторых случаях выявляются лишь единичные ямки на следе залечившейся трещины. Последние можно рассматривать как результат пластического смятия несовпадений субатомных размеров (см. рис. 5).
По мере удаления от вершины число и размеры таких несовпадений возрастают. Формируются группы ямок травления, строчки и канавки травления. И наконец, сумма рельефных несовпадений становится настолько большой, что для залечивания макронесовпадений необходимо существенно повышать нагрузки на кристалл. При этом уже будет иметь место деформация не только в окрестности трещины, но и в объеме кристалла. В наших экспериментах мы не заходили в область таких нагрузок и ограничивались только усилиями, не создающими заметной деформации всего образца.
Представлялось интересным выяснить, насколько полно восстанавливаются и прочностные свойства кристаллов.
Для этого образцы с залеченной трещиной разрушались по схеме нормального разрыва. При этом фиксировалось усилие критического разрыва образца с трещиной заданной длины. Для этого в образце сверлились отверстия, и он разрывался с помощью нити. Усилия разрыва измерялись динамометром. Результаты экспериментов для двух серий образцов с исходными и залеченными трещинами приведены на рис. 6.
Огметим, что усилия разрыва образца с залеченной трещиной выше, чем у необработанных образцов. Первая и естественная причина - это сокращение длины трещины. На графике отложена длина исходной трещины для обеих кривых.
Рис. 3. Поверхность залеченной трещины
Рис. 5. Схема залечивания субмикроскопических ступеней
<М5-
о.к-
0.30
• ЗалеченныА
• Исходный
Это связано с тем, что у залеченной трещины не всегда можно определить величину Л, так как фронт ее сильно отличается от прямолинейного.
Но если по графику определить эффективную длину залечивания Д£, то она будет несколько превышать те значения М, которые мы наблюдаем в эксперименте. Т. е. помимо сокращения длины трещины существует и иная причина некоторого упрочнения образцов с залеченной трещиной. В частности, ею может быть взаимодействие трещины с пластической зоной, формируемой при ее залечивании.
Представим последнюю двумя линиями скольжения и дисклинационным диполем в вершине залеченной трещины. Тогда изменение коэффициента интенсивности напряжений ДЛ"| за счет упругих напряжений пластической зоны будет равно:
' „*Л
Гь
(х)с1х.
где стхх - напряжения на оерегах трещины, гп - длина залеченной зоны. При определенных условиях (/ <
< г0 у[2 , где / - длина линий скольжения), которые выполняются практически всегда в случае самопроизвольной остановки трещины, напряжения о„ будут сжимающими. Изменение АК{ можно представить в следующем виде:
2>/б/.Л/1 £
ААГ | =----------1п(1 +—)а,
\vh-Jh г0
где А = Сй / 2л(1 - у) ; О - модуль сдвига, Ь - вектор
Бюргерса дислокаций, V - коэффициент Пуассона, п -число дислокаций в линии скольжения, а - числовой коэффициент, определяемый геометрией пластической зоны (а < 1).
Для достаточно больших п (> 100) изменение АК\ может достигать десятков процентов. Причем упрочняющий эффект может быть сменен разупрочняющим при других способах остановки трещины, когда пластическое течение будет более интенсивным в полуплоскостях, лежащих перед ее вершиной.
ЛИТЕРАТУРА
111 оскольская М.П.. Ван-Янъ-Энъ. Гу-Чжу-Чжао. О возникновении дислокаций при распространении и слиянии трещин в ионных кристаллах // Кристаллография. 1961. Т. 6. Вып. 4. С. 605-613. Грдина К).В.. Неверов В.В. Залечивание трещин в кристаллах каменной соли // Кристаллография. 1967. Т. 12. № 3. С. 493-498. Финкель В.М., Сергеева О.Г. Залечивание трещин в кристаллах кальцита // Физ. тверд, тела. 1987. Т. 29. № 3. С. 857-860.
Федоров В.А., Плужникова Т.Н.. Тяти Ю Н. Залечивание трещин, остановившихся при несимметричном сколе в щелочногалонлных кристаллах и кольните // Физ. тверл. тела. 2000. Т. 42. № 4. С. 685-687.
Федоров В.А., Карыев Л.Г., Никопюкин А.М., Иванов В.И. Повеление поверхностей скола щелочногалоидных кристаллов в электрическом ноле при одновременном нагреве // Физ. тверл. тела. 1996. Т. 38. № 2. С. 664-666.
Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М: Паука, 1974. 640 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 02-01-01173).
