Обратимая пластичность в вершине остановившейся трещины

УДК 539.3

ОБРАТИМАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ В ВЕРШИНЕ ОСТАНОВИВШЕЙСЯ ТРЕЩИНЫ

© Ю.И. Тялин, В.А. Тялина

Ключевые слова: трещина; дислокация; залечивание; кристалл.

Показано, что трещина может частично залечиваться в результате обратимого движения дислокаций в пластической зоне.

Обратимость процесса пластической деформации впервые наблюдалась и исследовалась при упругом двойниковании кристаллов кальцита под действием сосредоточенной нагрузки [1]. В этом случае отмечался полный выход двойника из кристалла после снятия внешней нагрузки. Затем подобное поведение материалов было обнаружено в таких явлениях, как термоупругое мартенситное превращение, эффект памяти формы и сверхупругость. Общим для данного круга явлений является наличие внутренних сил различной природы, вызывающих обратимое перемещение дефектов структуры, являющихся носителями пластической деформации. Как правило, это силы неупругого происхождения, связанные с избыточной поверхностной энергией границ раздела. Но в некоторых случаях в роли такого возвращающего фактора могут выступать и упругие напряжения дислокационных скоплений, формируемых в окрестности концентраторов напряжений. Известно, что при торможении или остановке трещины в ее вершине формируется пластическая зона, структура которой зависит от типа разрушающей трещины, условий ее остановки, геометрии образца, свойств материала [2]. На стадии разгрузки образца и под влиянием внешних факторов возможно частичное сваливание испущенных дислокаций в полость трещины.

Настоящая работа посвящена изучению пластического течения в вершине трещины нормального разрыва в щелочно-галоидных кристаллах. Рассматривались трещины, скачкообразно продвигающиеся под действием импульсной нагрузки, и трещины, останавливающиеся в результате бокового откола одной из частей кристалла при его несимметричном сколе. Нарушение симметрии скола сопровождается, как правило, и нарушением симметрии дислокационной структуры в вершине трещины относительно плоскости ее распространения.

Выполнено численное моделирование пластического течения в вершине остановившейся трещины. Пластическая зона представлялась одиночными и симметричными относительно плоскости трещины линиями скольжения, а также полосами из нескольких линий скольжения. Различались два этапа формирования дислокационной структуры: образование линий скольжения в момент остановки трещины, когда образец еще остается нагруженным, и эволюция их после снятия нагрузки. На первой стадии учитывались напряжения от трещины, взаимодействие дислокаций, напряжения трения со стороны кристаллической решетки и напряжения изображения. Процесс эмиссии дислокаций продолжался до тех пор, пока обратные напряжения испущенных дислокаций не превышали напряжения от трещины. Показано, что структура пластической зоны (симметричная или несимметричная) не сильно влияет на размеры и общее количество испущенных дислокаций.

Непосредственно после разгрузки образца внутреннее напряжение в линии скольжения определяется величиной напряжений трения тж и изображения (рис. 1).

1808

Рис. 1. Напряжения, действующие на дислокации в линии скольжения непосредственно после разгрузки

Рис. 2. Внутренние напряжения в линии скольжения после выхода части дислокаций из линии скольжения

Рис. 3. Плотность дислокаций в линии скольжения

Видно, что максимальные по величине напряжения действуют на крайние дислокации скопления. Но в головной части скопления они не превышают напряжений трения (1 МПа). Поэтому в движение придут только дислокации из хвостовой части скопления, примыкающей к трещине. Под действием этих внутренних напряжений дислокации в линии скольжения будут смещаться до тех пор, пока они не выйдут на поверхность трещины или пока действующие на них напряжения не станут равными напряжению трения. Релаксированной конфигурации будет соответствовать распределение напряжений на рис. 2. Горизонтальный участок кривой ограничивает область, из которой дислокации вышли на поверхность трещины или сместились из своих первоначальных положений (нагруженный образец).

По мере выхода дислокаций на поверхность трещины будет изменяться и их распределение в линии скольжения. После разгрузки это будет кривая с максимумом на значительном расстоянии от вершины трещины.

Таким образом, длина линий скольжения в вершине трещины будет полностью определяться первой стадией процесса, а распределение дислокаций в ней (особенно в хвостовой части) окончательно формироваться будет только после разгрузки образца.

1809

Реверсивное движение дислокаций сопровождается частичным залечиванием трещины. Остаточное раскрытие трещины может при этом уменьшаться до половины от исходного в нагруженном образце. Дальнейшее закрытие трещины можно получить, если уменьшить с помощью внешних воздействий сопротивление кристалла сдвигу. Расчёты показали, что при уменьшении напряжений трения вдвое от первоначальной величины начинается движение дислокаций и в головной части скопления (рис. 3). В этом случае уже увеличивается длина линии скольжения, а плотность дислокаций становится меньше исходной по всей длине скопления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бойко В.С., Гарбер Р.И., Косевич А.М. Обратимая пластичность кристаллов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. 280 с.

2. Тялин Ю.И., Тялина В.А., Золотова Д.В., Бутягин А.А., Осипова Е.Н. Структура полос скольжения, формируемых в вершине трещины при ее остановке // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 3. С. 23-26.

Поступила в редакцию 3 сентября 2010 г.

Tyalin Yu.I., Tyalina V.A. Reversible plasticity in peak of stopped crack

It is shown that the crack can partially be healed as a result of reversible movement of dispositions in a plastic zone.

Key words: crack; disposition; curing; crystal.

1810