Кинетика развития и залечивание трещин асимметричного скола

УДК 539.3

КИНЕТИКА РАЗВИТИЯ И ЗАЛЕЧИВАНИЕ ТРЕЩИН АСИММЕТРИЧНОГО СКОЛА © В.А. Федоров, Т.Н. Плужникова, Ю.И. Тялин, П.Н. Белобородов

Россия, Тамбов, Тамбовский государственный университет им. Г. Р. Державина

Feodorov V.A., Piushnikova T.N., Tjalin Yu.l., Beloborodov P.N. Kinetics of Development and Self-Healing Cracks of Asymmetrical Cleavage. Self-healing at the tips of cracks, stopped in crystal, and cracks of lateral break-off in conditions of asymmetrical cleavage have been experimentally found. Main kinetic characteristics of the process cleavage are determined. Healing of the cracks tips at asymmetrical cleavage occurs more intensively at heating and lighting.

Известно [1], что при асимметричном сколе кристаллов с явно выраженной плоскостью спайности высока вероятность выхода трещины скола на боковую грань образца за счет ухода ее в плоскость, ортогональную исходной. При этом вершина трещины, оставшейся в кристалле, самопроизвольно залечивается.

В настоящей работе изучена кинетика роста и само-залечивания трещин асимметричного скола и исследовано влияние нагрева и видимого излучения на процессы залечивания трещин, оставшихся в кристалле.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Исследование кинетики трещин при асимметричном сколе проводили на установке, основой которой являлся сверхскоростной фоторегистратор СФР-1. Использовали монокристаллы КС1 с количественным содержанием примесей 10'3 вес.%. Размер образцов -18x10x2 мм. Каждый образец скалывали по плоскости спайности (100) на некотором расстоянии 5) от оси симметрии кристалла. Степень асимметричности скола определялась отношением размера 5| к полуширине образца 5у2 и составляла « 0,58. Энергия удара постоянна и равна « 50 мДж. Скорость съёмки -500000 кадр/с.

2. Исследования по стимулированию залечивания проводили на монокристаллах УР с количественным содержанием примесей 10‘3 вес.%. Образцы с размерами 10x25x2 мм выкалывали по плоскостям спайности. Кристаллы после асимметричного скола по (100) раскалывали дополнительно по плоскости (010). На образующихся при этом чистых поверхностях химическим травлением в водном растворе РеС13 выявляли дислокационную структуру. Асимметричный скол также получали тарированным ударом с энергией 80 мДж.

В первой серии экспериментов кристаллы ЫР подвергались нагреву в интервале температур Т = (263*365) К. Время воздействия варьировалось от 10 до 1500 часов.

Во второй серии экспериментов на кристаллы ЫР воздействовали световым излучением с длиной волны (350*760) нм от вольфрамовых ламп накаливания мощностью 20 Вт и 100 Вт, одновременно нагревающих кристаллы до температур 325*355 К. Освещенность, в зависимости от мощности лампы и светофильтра, изменялась от 4 лк до 15 клк.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

1. При асимметричном сколе по плоскости (100) в ЩГК отмечено несколько вариантов развития трещин бокового откола по плоскости (001) (рис. 1):

а. Трещина бокового откола самозалечивается и напряжения релаксируют.

б. Самопроизвольное залечивание магистральной трещины при выходе трещины бокового откола на боковую грань кристалла.

в. Появление нескольких трещин бокового откола, причем первичная трещина бокового откола развивается быстрее вторичной. Возможно залечивание первичной трещины бокового откола или магистральной трещины.

В ходе эксперимента установлены характерные кинетические характеристики этих процессов. Скорость магистральной трещины без образования бокового откола достигает «700 м/с. Скорость магистральной трещины, с образованием бокового откола « 600 м/с. Это объясняется тем, что энергия магистральной трещины тратится на боковой скол и, следовательно, скорость трещины уменьшается. Скорость

а) б) в)

Рис. I. Варианты развития асимметричного скола: а) с зарождением и залечиванием трещины бокового откола; б) с зарождением и развитием трещины бокового откола и залечиванием магистральной трещины; в) комбинированный вариант - залечивание трещины бокового откола и магистральной трещины.

распространения трещины бокового откола приблизительно равна скорости схлопывания этой трещины и составляет » 60 м/с. Скорость видимого закрытия магистральной трещины составляет « 300 м/с.

Сам процесс бокового откола происходит поэтапно: подрастание боковой трещины, ее частичное залечивание, выход трещины на боковую грань. При выходе трещины на боковую грань в 50 % случаев наблюдается её переход в параллельную плоскость (рис. 16, 2). Этот переход, вероятнее всего, связан с наличием дефектов в приповерхностных слоях.

2. В процессе отжига или временной выдержки при комнатной температуре вид залеченного участка и дислокационная картина у вершины трещины заметно меняется (рис. 2). Причем уменьшается суммарная плотность дислокаций в окрестности вершины и могут исчезать целые линии скольжения, образующие в исходном состоянии характерный дислокационный «крест». Отжиг образца приводит к более заметным изменениям дислокационной структуры. Аналогичные изменения дислокационной структуры наблюдаются и при освещении кристаллов излучением видимого диапазона. Эффект усиливается при одновременном воздействии обоих факторов.

Установлен экспоненциальный характер зависимостей изменения плотности дислокаций у вершин трещин от температуры и от времени экспозиции излучения (рис. 3).

Под воздействием света происходит уменьшение длины лучей в дислокационных розетках. В первые два часа длина лучей в розетках изменяется на 40 %.

Рис. 2. Дислокационная структура у вершин трещин скола в кристаллах УИ: а) контрольный кристалл при комнатной температуре, б) кристалл после отжига при Т- 365 К, в течение 400 часов.

Действие света разной интенсивности и разного спектрального состава приводят к разным изменениям у вершин трещин после асимметричного скола (рис. 4). Наиболее сильные изменения при воздействии света

Рис. 3. Относительное изменение числа дислокаций (IV) у вершины трещины в зависимости от времени воздействия (/): 1.7’= 263 К, 2. Г = 288 К, 3. Г = 325 К, 4. Г = 365 К, 5. Т = 365 К и одновременное воздействие света А. = 350 +760 нм, 15 клк.

-|-----1-----1-----1-----1------1-----1-----.------1-----.-----(-♦

О 5 10 15 20 «.часы

Рис. 4. Относительное изменение числа дислокаций в вершине трещины в зависимости от времени воздействия при разных температурах и длинах волны света: 1. Т- 365 К, 15 клк, X = 400 + 760 нм; 2. Т = 323 К, 5 клк,

Я. = 570 + 660 нм; 3. Т = 323 К, 140 лк, X = 625 + 645 нм; 4. Т= 327 К, 4 лк, X = 350 + 470 нм.

происходят при освещении кристаллов с длиной волны X. = 350 * 470 нм.

Залечивание под воздействием нагрева обусловлено термоактивационным характером процесса. Воздействие излучения видимого диапазона спектра приводит к изменению энергетического состояния дислокаций и стопоров, фотоподвижности дислокаций [2, 3].

Фотоподвижность дислокаций зависит от концентрации центров окраски, интенсивности излучения, спектрального состава действующего света. Воздействие света и одновременный нагрев способствуют релаксации механических напряжений и изменению плотности дислокаций у вершины трещины.

ВЫВОДЫ

После асимметричного скола наблюдается самоза-лечивание как вершин трещин, остановившихся в кристалле, так и трещины бокового откола, за счет восстановления межатомных связей.

Процесс залечивания вершин трещин после асимметричного скола происходит активнее при нагреве

или воздействии светом. Одновременное воздействие этих факторов усиливает эффект.

Воздействие коротковолновой части видимого спектра приводит к наиболее интенсивным изменениям дислокационной структуры у вершин трещин, при прочих равных условиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Федоров В.А., Ушаков И.В.. Плужникова Т.Н. I Микропластичность, разрушение и самозалечивание в кристаллах №С1, Ьй7, и СаСОэ при несимметричном сколе // Вестн. ТГУ. Тамбов, 1997. Т. 2. Вып. З.С. 291-293.

2. Ермаков Г.А.. Надгорный Э.М Фотоподвижность дислокаций в облученных кристаллах хлористого калия // Докл. АН СССР. 1968. Т. 181. №1. С.76-78.

3. Бредихин С.И., Осипьян Ю.А., Шмурак С.З. Влияние света на стимулированное деформацией свечение кристаллов ZnS // ЖЭТФ. 1975. Т. 68. Вып. 2. С. 750-755

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 98-01-00617), а также Министерства общего и профессионального образования, грант по фундаментальным исследованиям в области естественных наук (фант №97-0-4.3-185).

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ ДВОЙНИКОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ БИКРИСТАЛЛОВ СПЛАВА (Fe + 3,5% Si) ДВОЙНИКОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ © М.Е. Босин*, Ф.Ф. Лаврентьев**, В.Н. Никифоренко**

* Украина, Харьков, политехнический университет **Украина, Харьков, ФТИНТим. Б.И. Веркина АН Украины

Bosin М.Е., Lavrentjev F.F., Nikiforenko V.N.The features of twinning and destruction of bicrystals of alloy (Fe+3,5% Si) of twin orientation in condition of low temperatures.The mechanism of twinning and destruction of bicrystals of alloy Fe+3,5% Si is considered. The speed of twinning dislocations motion and their role in cracks initiation is evaluated.

Проблема механизмов двойникования и разрушения является актуальной проблемой физики прочности и пластичности [1, 2]. В настоящей работе исследовались закономерности движения ростовой межзеренной границы двойниковой ориентации в бикристаллах сплава (Ре + 3,5% Б0, выращенных из расплава методом направленной кристаллизации [2]. Образцы для деформации простым сдвигом при ползучести вырезались электроэрозионной резкой так, чтобы межзерен-ная граница (112) [11 1] располагалась в центре рабочей части образца, где действуют максимальные сдвиговые напряжения. Размеры сечения рабочей части образца 0,5x5,0 мм. Характерным свойством ОЦК решетки сплава (Ре + 3,5% является то, что система

(112) [111] при Т > 77 К действует как система скольжения, а при Т < 77 как система двойникования. Установлено, что необходимым условием для начала движения ростовой межзеренной границы по механизму механического двойникования является предварительное скольжение при Т = 300 К и, соответственно, пол-

ных скользящих дислокаций, диссоциация которых образует частичные двойникующие дислокации [3]. Оценены число двойникующих дислокаций п = 105 и

скорость их движения V,= 103 см с'1. Наблюдается образование двойников во вторичных системах и зарождение трещин по границам двойников, что связывается со скоплениями краевых двойникующих дислокаций, линейная плотность которых равна ре = 103 см1. Трещины распространяются ступенчато, переходя из плоскости (112) в плоскость (211). Скорость двойникующих дислокаций находится в диапазоне скоростей, контролируемых вязкими механизмами торможения дислокаций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Christum J.W., Mahajan S. И «Deformation Twinning» Progress in Materials cien. 1995. V. 39. P. I- 57.

2. Босин M.E., Лаврентьев Ф.Ф., Никифоренко В.Н. II ФТТ. 1996. Т.38. № 12. С. 3625-3627.

3. Ogawa К. II Phil. Mag. 1965. № 11. P. 110, 211.