Микропластичность, разрушение и самозалечивание в кристаллах NaCl, LiF и CaCO3 при несимметричном сколе

УДК 539.3

МИКРОПЛАСТИЧНОСТЬ, РАЗРУШЕНИЕ И САМОЗАЛЕЧИВАНИЕ В КРИСТАЛЛАХ NaCl, LiF И СаСОэ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОМ СКОЛЕ

© В.А. Федоров, И.В. Ушаков, Т.Н. Плужникова

Feodorov V.A., Ushakov I.V., Plushnikova T.N. Microplasticity, Fracture and Self-Healing in Single Crystals NaCl, LiF and СаСОз Resulted From Asymmetrical Cleavage. The structure and morphology of etching figures in the tips of cracks of asymmetrical cleavage of single LiF, NaCl, СаСОз are investigated. The relationship between the sizes of crystal broken-off parts and the asymmetry degree as well as between the sizes of crack tips remained in crystals and the asymmetry degree is determined.

Известно [1], что при асимметричном сколе кристаллов, с явно выраженной плоскостью спайности, высока вероятность выхода трещины скола (100) на боковую грань за счет ухода ее в плоскость (001), ортогональную исходной. Эффект стабилизируется при степени асимметричности 1:2 и более.

В то же время практически не исследованы структура и морфология дислокационных фигур травления, формирующихся в вершине остановившихся трещин, а также их размеры, размеры отколовшейся части кристалла и оставшейся в кристалле вершины трещины от степени асимметричности скола, что и было целью данной работы.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проводили на монокристаллах: №С1, LiF, СаС03. Образцы с размерами »15x50x4 мм выкалывали по плоскостям спайности. Ширина кристаллов ЫаС1 составляла 15 ± 1 мм; LiF и СаСОэ - 15 ± 7 мм. Каждый образец скалывали по плоскости спайности (100) на некотором расстоянии 5| от оси сим-

Рис. 1. Схема асимметричного скола кристаллов: 1 - кристалл, 2 - отколовшаяся часть.

метрии кристалла (рис. 1). Степень асимметричности скола определяли отношением размера S¡ к полуширине образца 5,2/2. Фиксировали размеры остановившейся магистральной трещины скола S3, отколовшейся части кристалла 5^ и кристалла £5. За относительную длину остановившихся и оставшихся в кристалле трещин после бокового откола принимали, соответственно, отношения Зз/Я5 и (¿3 - 54)/.%. В экспериментах испытано по 30 образцов каждого из кристаллов ЫаС1, СаС03.

Дислокационную структуру вершины остановившейся трещины исследовали на монокристаллах LiF, которые, после асимметричного скола по (100), раскалывали дополнительно по плоскости (010). На образующихся при этом чистых поверхностях химическим травлением в водном растворе РеС13 выявляли дислокации.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Экспериментально установлено, что при асимметричном сколе боковой откол происходит преимущественно по плоскости (001) («73 %) - прямоугольный откол, или по плоскости (101) («22 %) - откол под углом 45°. Мор-

- I L \

«I ci B)

N î' L

-

1 А) е)

Рис. 2. Наблюдаемые варианты отколов: а, б, в - прямоугольный откол; г, д - откол под углом 45°; е - смешанный откол.

фологические особенности наблюдаемых вариантов откола приведены на рис. 2. Как правило (для ЩГК), остановившаяся трещина асимметричного скола имеет большую длину, чем отколовшаяся часть кристалла (рис. 1). Оставшаяся в кристалле трещина лежит в плоскости (100).

На рис. 3 приведены зависимости относительных размеров трещин скола (¿у^), вершин оставшихся в кристалле трещин после бокового откола ((53 - .*)/$) от степени асимметричности для исследуемых кристаллов. Линейная аппроксимация зависимостей получена методом наименьших квадратов.

Значительный разброс экспериментальных результатов, по-видимому, связан с использованием нетарированного удара при сколе кристаллов. Это накладывает некоторые ограничения на зависимости (рис. За, 36) и позволяет говорить лишь о наблюдаемой тенденции.

Рис. 3. Зависимости относительных размеров трещин от степени асимметричности скола: а - основной трещины; б - вершины трещины, оставшейся в кристалле.

Рис. 4. Дислокационная структура у вершин залеченных трещин скола в кристаллах ЬіИ: а - розетка симметричной формы; б, в - розетка несимметричной формы; г - вершина залеченной трещины без дислокационной розетки.

*

Ірр- у ^

25 )і.т *

Рис. 5. Форма вершин самозалечившихся трещин: а - без относительного сдвига; б - с относительным сдвигом поверхностей трещин.

Фигуры травления (дислокационные розетки) в вершинах остановившихся трещин приведены на рис. 4. При увеличении асимметричности скола имеет место тенденция к понижению симметричности фигур травления (рис. 4а, 4в). В ряде случаев выявляется лишь строчка дислокаций, соответствующая положению бывшей трещины (рис. 4г).

После бокового откола оставшаяся в кристалле вершина трещины чаще всего самоза-лечивается. При этом траектория бывшей трещины может практически не выявляться при травлении (рис. 4а) или оставлять строчку обычных и реанимирующих [2] дислокаций (рис. 4в, г). Во всех случаях наблюдается визуальное восстановление сплошности. Незалеченными, как правило, оставались трещины, в вершине которых имела место значительная микропластичность.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Наблюдаемые варианты отколов обусловлены, прежде всего, неоднородным полем упругих напряжений в вершине трещины. Рассматривая деформацию частей разрушаемого кристалла в баллочном приближении, можно утверждать, что более узкая часть кристалла подвержена большей деформациии и, как следствие, предпочтительнее для откола. Зарождение трещин откола возможно на различных дефектах типа ступеней скола, субграниц. В ряде случаев релаксация напряжений может проходить за счет скольжения по плоскостям (101). Тогда рост трещин энергетически выгоден по этим плоскостям и откол происходит под углом 45°.

Чем уже отделяемая сколом часть кристалла, тем большей пластической деформации она подвергается. При этом напряжения (усилия), необходимые для откола, будут понижаться, и откол будет происходить раньше (рис. За). По этой же причине будет уменьшаться размер трещин, оставшихся в основном кристалле (рис. 36).

Неоднородное распределение напряжений в вершине трещины влияет на развитие микро-пластических сдвигов в ее вершине. По мере увеличения асимметричности скола и неоднородности поля напряжений происходит изменение фигур травления в вершине трещины от симметричных к несимметричным, развивающимся преимущественно по одной из систем скольжения (рис. 4а, 4в).

Известно [3], что при залечивании трещин скола существенно совпадение рельефа соединяемых поверхностей. При несовпадении рельефа залеченный участок трещины выявляется при травлении в виде строчки дислокаций (рис. 4г).

Наблюдаемые варианты самозалеченных трещин (рис. 4) позволяют предположить следующие механизмы залечивания:

- после остановки трещины ее вершина притупляется за счет дислокационной пластичности (рис. 5а, поз. 1), (рис. 56, поз. 1);

- при обратимой пластичности или за счет сдвига по другим системам скольжения трещина может залечиться, но при этом поверхности могут как совпадать (рис. 5а, поз. 2), так и не совпадать (рис. 56, поз. 2);

- в случае совпадения рельефа наблюдается залечивание, подобное рис. 4а, при не совпадении - рис. 46, в, г.

В кальците и в ряде случаев в ЩГК вершина остановившейся трещины остается острой (отсутствует дислокационная пластичность). Залечивание таких трещин в кристалле возможно без образования видимых следов при последующем травлении.

Во всех рассмотренных вариантах самоза-лечивание происходит за счет восстановления межатомных взаимодействий при сближении поверхностей трещины.

ВЫВОДЫ

1. Степень асимметричности скола влияет на структуру и форму дислокационных розеток.

2. В ЩГК и кальците при асимметричном сколе возможно самопроизвольное залечивание вершин трещин, остановившихся в кристалле.

3. Степень асимметричности скола влияет на изменение геометрических параметров отколовшейся части кристалла и оставшейся в кристалле трещины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гилман Дж. Дж. Скол, пластичность и вязкость кристаллов. Атомный механизм разрушения. М.: Металлургия, 1963. С. 220-250.

2. Фипкель В.М., Конкин Б.Б. Виды дислокаций на залеченной трещине // Физика твердого тела. 1983. Т. 25. Вып. 5. С. 1553-1555.

3. Дорохова Н.В. Исследование процессов формирования фрактологического рельефа и его влияние на залечивание трещин в ряде монокристаллов // Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. Ростов-н/Д., 1994. 154 с.

Авторы признательны Ю.И. Тялину за полезные советы при обсуждении работы.

Поступила в редакцию 20 сентября 1997 г.