скачать каталог  |  pdf, 5.8MB, 03.07.17

Разрушение

Механизм разрушения хрупких и пластичных материалов при ультразвуковом воздействии

Экспериментальные данные свидетельствуют, что разрушение хрупких и пластичных материалов при ультразвуковом воздействии происходит по-разному. Основные отличия заключаются в количестве осколков, на которые разрушаются образцы, и во времени разрушения. В экспериментах по ультразвуковому облучению хрупких материалов германия и кремния было установлено, что через ~30 с после начала облучения образцы «мгновенно» разрушаются на огромное количество мельчайших осколков (от 10 до 104 штук), что позволило охарактеризовать его как «взрывообразное разрушение». В то же время образцы из пластичных материалов (металлов) при таком же ультразвуковом воздействии обычно разрушаются на 3–6 частей за время порядка ~100 с, и их разрушение характеризуется развитием магистральной трещины, как правило, по границам зерен.

В работе проведена оценка возникающих в образце внутренних напряжений и предложен диффузионно-дислокационный механизм разрушения хрупких и пластичных материалов при ультразвуковом воздействии.


Механизм хрупкого разрушения

При ультразвуковом облучении кристалла его поверхность и границы зерен подвергаются циклическим сжимающим-растягивающим нагрузкам. При этом на поверхности кристалла и на границах зерен одновременно с изменением возникающих напряжений меняется концентрация вакансий. Это изменение связано с циклическим изменением равновесной концентрации вакансий на свободной поверхности и на границах зерен.

В результате циклического изменения концентрации вакансий на поверхности и границах зерен количество вакансий, поглощаемых поверхностью и границами зерен, меньше, чем количество возникающих вакансий, диффундирующих вглубь кристалла. Таким образом, со свободной поверхности и границ зерен происходит «накачка» вакансий в кристалл.

Испускаемые поверхностью и границами зерен вакансии диффундируют от поверхности и границ зерен вглубь кристалла и зерна, что приводит к увеличению концентрации вакансий и возникновению в приповерхностном слое и около границ зерен области вакансионного пересыщения толщиной порядка 200 (D/ν)1/2, где D — коэффициент диффузии вакансий, ν — частота ультразвуковой волны. Избыточные вакансии в этой области группируются в дискообразные скопления, параллельные плоскости плотнейшей упаковки кристаллической решетки, около имеющихся в кристалле примесных атомов и выделений с последующим захлопыванием вакансионных скоплений и образованием дислокационных петель. Избыточные вакансии также отжигаются на уже имеющихся в кристалле дислокациях и дислокационных петлях, на свободной поверхности кристалла и на границах зерен. Взамен исчезнувших избыточных вакансий в эту область поступают новые вакансии, что приводит к сохранению вакансионного пересыщения и, как следствие, — к образованию новых дислокационных петель и росту уже имеющихся. Таким образом, в этой области работает «вакансионный насос», который постоянно «засасывает» вакансии со свободной поверхности и границ зерен и «сбрасывает» их на существующие в кристалле объемные стоки (вакансионные петли), которые при этом быстро растут.

Образующиеся дислокационные петли создают в кристалле дополнительные напряжения. С увеличением размера петель и их плотности увеличивается и величина внутренних напряжений. Зарождение и развитие гриффитсовых микротрещин не будет происходить до тех пор, пока величина локальных напряжений в материале не превысит необходимой для этого предельной величины.

При достижении определенной критической плотности петель и их размера, взаимодействие локальных полей напряжений от статически распределенных по объему кристалла ансамблей петель и кластеров приводит к возникновению локальных напряжений, превосходящих критическое значение, и последующему разрушению материала. Для хрупких образцов (Si, Ge) критическая плотность петель, приводящая к разрушению кристалла, составляет 3⋅1012 см3. Появление локальных областей, в которых внутренние напряжения превосходят критическое значение, может произойти одновременно сразу в нескольких местах кристалла. Вокруг возникающего первичного очага хрупкого разрушения (первичной микротрещины, возникшей за счет появления внутренних напряжений, превышающих критическое значение) находится множество локальных областей, в которых внутренние напряжения немного меньше критического.

Рост первичной магистральной трещины сопровождается возникновением в дугообразной области, перед растущей трещиной, растягивающих напряжений. При прохождении трещины вблизи локальных напряженных областей суммарное напряжение в них может превысить критическое значение за счет вклада от поля напряжений перед трещиной, что приведет к возникновению нового очага разрушения и магистральной трещины.

Новая магистральная трещина при своем распространении также стимулирует появление других очагов разрушения и магистральных трещин. Кроме того, рост магистральной трещины приводит к развитию расположенных на ее пути ранее возникших гриффитсовых микротрещин, в результате чего происходит ветвление трещин.

Из-за высокой плотности локальных областей, напряжения в которых близки к критическому, (то есть областей с плотностью дислокационных петель ~3⋅1012 см-3), а также из-за возникновения в этих областях большого числа зародышей микротрещин Гриффитса вследствие образования вакансионных кластеров, микропор и коагуляции дислокационных петель, в кристалле образуется большое количество вторичных магистральные трещин и его разрушение происходит с образованием множества мелких осколков.


Механизм хрупко-пластичного разрушения

При ультразвуковом воздействии на пластичные образцы механизм их разрушения существенно отличается от механизма разрушения хрупких материалов. Это, в первую очередь, связано со значительно более высокой (на два порядка), величиной критического разрушающего напряжения. Формируемая в приповерхностном слое и около границ зерен плотость призматических дислокационных петель недостаточна для возникновения в этих образцах критических напряжение, как в хрупких кристаллических образцах. С другой стороны, в отличие от хрупких материалов, дислокационная структура пластичных образцов характеризуется высокой плотностью дислокационных сеток.

При ультразвуковом воздействии на образец происходит неконсервативное движение краевых дислокаций под действием осмотических сил и перераспределение дислокаций в объеме. Краевые дислокации перемещаются из объема к свободной поверхности образца, границам зерен и поверхности пучности ультразвуковой стоячей волны. В результате вблизи свободной поверхности, границ зерен и поверхности пучности ультразвуковой стоячей волны накапливаются краевые дислокации одного знака и образуются полосы скольжения. Следует отметить, что около поверхности пучности ультразвуковой стоячей волны и границ зерен с одной стороны от них формируется скопление только «положительных» краевых дислокаций, а с другой — только «отрицательных». При этом в полосах скольжения и, особенно, в области между скоплениями «положительных» и «отрицательных» краевых дислокаций возникают дополнительные растягивающие напряжения. Величина этих напряжений пропорциональна плотности краевых дислокаций в сформированных скоплениях. Со временем плотность дислокаций в скоплениях монотонно растет за счет переползания дислокаций из объема и, соответственно, увеличивается величина внутренних растягивающих напряжений. При достижении в каком-нибудь скоплении некоторой критической плотности дислокаций происходит зарождение микротрещины, а при дальнейшем увеличении плотности — ее рост. Рост микротрещин происходит вдоль плоскости полос скольжения, так как именно в данном направлении действуют максимальные растягивающие напряжения, и, кроме того, полосы скольжения являются препятствием на пути трещин. Возникновение и рост микротрещин вдоль границ зерен и поверхности пучности ультразвуковой волны приводит к образованию магистральной трещины и разрушению образца, механизм которого описывается известными дислокационными моделями.

Роль дислокационных петель при разрушении пластичных материалов заключается в облегчении создания полос скольжения.

Таким образом, показано, что разрушение пластичных материалов при ультразвуковом воздействии не может быть связано с образованием в них скоплений дислокационных петель, а вызывается формированием скоплений краевых дислокаций одного знака с высокой плотностью.

Разрушение хрупких материалов связано с формированием скоплений призматических дислокационных петель с локальной плотностью ~3⋅1012 см-3.

Механизм разрушения хрупких материалов при ультразвуковом воздействии связан с «накачкой» вакансий со свободной поверхности и границ зерен в локальные области кристалла, образованием вакансионных скоплений и их схлопыванием в призматические дислокационные петли. При увеличении плотности петель до критического значения происходит разрушение образца.

Механизм разрушения пластичных образцов при ультразвуковом воздействии связан с образованием вблизи свободной поверхности, границ зерен и поверхности пучности стоячей ультразвуковой волны скоплений краевых дислокаций одного знака за счет переползания дислокаций из объема. Разрушение происходит при превышении плотности дислокаций в скоплении критического значения.

Задайте вопрос
Ваше имя
Укажите пожалуйста Ваше имя.
E-mail
Некорректный e-mail. Пример mail@example.com
Комментарий