Механизмы растрескивания твердых тел

Механическое воздействие вызывает упругую деформацию твердых тел, которая изменяет силовые постоянные межатомных связей и таким образом смещает их собственную частоту колебаний. Происходит изменение межатомных расстояний и валентных углов. При растяжении химической связи ее энергия уменьшается. При увеличении интенсивности механической обработки первоначальная пластическая деформация сменяется появлением трещин. В этом процессе преодолеваются силы межатомных связей, и образуется так называемая свежая поверхность. Если трещина целиком пересекает твердое тело, происходит его разрушение [70].

Раскалывание твердого тела происходит по двум различным механизмам: во-первых, под действием касательных напряжений в результате процесса скольжения (раскол в результате скольжения) и, во-вторых, при разрывных воздействиях (быстрый «хрупкий» излом). То, какой из процессов имеет место при механической обработке — скользящий раскол или хрупкий излом — зависит от природы напряженного состояния, а также от свойств материала и температуры. В теории измельчения главную роль играет хрупкий излом, связанный с присутствием трещин в твердом теле. Обычно распространение трещины происходит, когда запас внутренней упругой потенциальной энергии достаточен для того, чтобы скомпенсировать свободную поверхностную энергию образующихся поверхностей скола (энергетический критерий Гриффита, уравнение (4.4)). Именно поэтому тенденция к хрупкому расколу твердых тел повышается с ростом интенсивности механического воздействия. Эта концентрация напряжений вызывает микропластическую деформацию на фронте трещины. Чем больше пластически деформированный объем, тем больше энергии требуется для того, чтобы начать и ускорить процесс раскалывания. Энергия, затраченная на раскол, может в 10−10⁶ раз превышать свободную поверхностную энергию [70].

В устье трещины, где напряжения так велики, что превышается предел текучести и молекулярный предел прочности на разрыв, в процессе преобразования энергии реализуется высокоактивное состояние с высоким содержанием свободной энергии в твердом теле. Так как возбуждение, вызванное трещиной, заключено в узком объеме, происходит быстрая его релаксация, которая является характерным свойством поверхности скола [70].

Возникновение трещины начинается с зародышевой трещины — микротрещины, порядок величины которой измеряется долями микрометра. Микротрещины могут уже существовать заранее в нагружаемом материале, и их наличие обуславливается технологией, т. е. предварительной механической, термической и химической обработкой. Их величина, пространственная ориентация и плотность в материале могут быть описаны различными функциями распределения. В хрупких материалах этими параметрами можно управлять: травление приводит к уменьшению трещин, абразивная обработка — к увеличению. Трещины образуются в процессе деформации при внедрении индентора.

При достижении критических условий зародышевая трещина увеличивается в размерах и переходит в магистральную трещину — макротрещину [69].

Если в твердом теле отсутствуют трещины, как это имеет место в металлических нитях и очень тонких стеклах, его прочность приближается к молекулярному пределу. Тем не менее при ударном воздействии достаточной интенсивности будет происходить образование трещин изза блокировки дислокаций, так что разрушение твердого тела, первоначально свободного от трещин, также произойдет при напряжении много меньшем, чем молекулярный предел прочности.

При растрескивании твердых тел могут протекать химические реакции, на поведение которых влияют четыре основных процесса:

• 1. Возникновение высокоактивного короткоживущего состояния в устье растущей трещины.
• 2. Разрыв химических связей в момент раскола.
• 3. Увеличение поверхности твердого тела.
• 4. Изменение кристаллической структуры слоя вдоль межфазной границы, образующейся при продвижении трещины через объемную фазу [70].

Оба типа разрушения — вязкое и хрупкое включают в себя две стадии: зарождение зародышевой трещины, ее распространение.

По механизму зарождения трещин они не различаются. Качественное различие между ними связано с энергоемкостью и скоростью распространения трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика, она достигает 0,4−0,5 величины скорости распространения звука в материале образца. В случае вязкого разрушения трещина распространяется в основном с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца [35]. Процесс распространения трещины является дискретным, когда скорость всего процесса меньше скорости звука лишь потому, что между единичными скачками роста трещины, которые происходят со скоростью звука, имеются периоды спокойствия, когда трещина вообще не растет. При вязком разрушении периоды роста трещины очень коротки, а периоды спокойствия — велики. При хрупком разрушении — наоборот. Таким образом, коэффициент при скорости звука, который характеризует скорость роста трещины, — есть просто отношение этих периодов, или мера соотношения долей хрупкого и вязкого разрушения в общем процессе.

Образование зародышевых трещин при внедрении пирамиды является результатом сдвиговых процессов. Даже у хрупких материалов деформированная зона уплотнения имеет следы пересекающихся линий сдвигового течения — «розеток» линий скольжения. В кристаллических телах сдвиговая деформация осуществляется за счет движения дислокаций. В результате пересечения дислокаций с различного рода препятствиями, которыми могут служить границы раздела фаз, границы зерен или же границы пересечения самих дислокационных линий, возникают зародышевые трещины [69]. В керамическом материале вследствие особенностей технологии его изготовления всегда существуют внутренние и внешние дефекты в виде пор, включений, микротрещин. Поры являются одним из факторов, оказывающих существенное влияние на процесс разрушения керамики. Влияние пор неоднозначно и зависит от их количества, формы, размеров и пространственной ориентации. Как правило, поры локализуются на границах зерен, в особенности на участках стыковки нескольких зерен. Даже в материалах, обладающих высокой плотностью (более 99%), наблюдаются остаточные микропоры, расположенные преимущественно по границам зерен. Поры есть концентраторы напряжений и могут затормозить движение трещины или вызывать изменение траектории трещины, которая распространяется в наиболее слабых местах, какими служат границы зерен. Источником разрушения могут быть микропоры внутри зерен. Размер пор, инициирующих разрушение в керамических материалах, составляет 20−200 мкм [71].

Прочность реальных твердых тел определяется не только их физико-химической природой, но существенно зависит и от дефектности структуры. В структуре реальных твердых тел всегда имеются различного типа дефекты — концентраторы напряжений, такие как микрои макротрещины, включения, границы зерен и блоков структуры, скопления дислокаций, вакансий и др. В процессе деформации твердого тела в окрестности таких дефектов происходит высокая концентрация напряжений, что приводит к образованию зародышевых и росту уже имеющихся в теле трещин, т. е. к локальному или полному его разрушению в результате формирования и распространения магистральной (наиболее опасной) трещины разрушения. Такое явление характерно для хрупкого или почти хрупкого (квазихрупкого) разрушения деформируемых твердых тел. Большое расхождение между теоретической и физической прочностью веществ обуславливается состоянием поверхности образца. Большое влияние на прочность оказывают макроскопические поверхностные или внутренние трещины. Упругое напряжение концентрируется на краях таких трещин, где и начинается разрыв при сравнительно малом растягивающем усилии, приложенном к образцу.

Минимальное напряжение, при котором хрупкий образец начинает разрушаться, согласно теории А. Гриффитса, определяется по формуле:

где а_кр — разрушающее напряжение, Па; - поверхностная энергия твердого тела на границе со средой, Н/ м; /_кр — полудлина зародышевой трещины, м; Е — модуль упругости, Па [72]. Как видно из формулы, разрушающее напряжение определяется длиной трещины и физическими характеристиками твердого тела; оно тем больше, чем больше Е и у _Эф и меньше /_кр.

Вопросы оценки трещиностойкости керамики подробно рассматриваются в работах Г. А. Гогоци с сотрудниками [67, 73].

На рис. 4.1 представлена фотография отпечатка индентора Виккерса со следами трещин для керамики ZrCb-Y^Cb при нагрузке 98 Н.

Рис. 4.1. Следы трещин возле отпечатка индентора Виккерса при нагрузке 98 Ндля керамики Z1O2-Y2O3 (а), схема анализа отпечатков (б).

На рис. 4.2 представлены схемы двух типов трещин, которые могут возникать при индентировании пирамиды Виккерса.

Рис. 4.2. Схема двух типов трещин, возникающих при индентировании пирамиды Виккерса: а — трещины Палмквиста (радиальные); б-медианный тип полукруглых трещин [68].

Более подробная пространственная схема расположения трещин, образующихся после внедрения пирамиды Виккерса дана на рис. 4.3. При малых нагрузках при внедрении пирамиды образуются четыре поверхностные радиальные трещины, берущие начало от углов отпечатка, так называемые трещины Палмквиста. Увеличение нагрузки приводит к образованию двух дисковых медианных трещин, находящихся в тех же плоскостях осевого сечения пп и рр, в которых лежат радиальные трещины Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к слиянию радиальных и медианных трещин и образованию двух хорошо развитых полудисковых медианных трещин. При этом рис. 4.3, а дает информацию о пространственном расположении трещин, образующихся после внедрения пирамиды при относительно малых нагрузках, б) и в) — после внедрения пирамидального и сферического инденторов соответственно при повышенных нагрузках [69].

Рис. 4.3. Пространственная схема расположения трещин, образующихся после внедрения пирамиды (а, б) и шаров (в):

РТ, МТ, БТ — радиальные, медианные и боковые трещины соответственно [69]

Последовательность образования трещин представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Последовательность образования трещин при упругопластическом внедрении шара:

Пповерхность материала; О — отпечаток; РТ — радиальные трещины;

МТмедианные (осевые) трещины; БТбоковые трещины [69]

При нагружении вначале образуются радиальные трещины, развивающиеся от периферии кратера отпечатка. При увеличении нагрузки средняя длина трещин возрастает и появляются медианные трещины, имеющие дискообразную форму. Последние также растут и сливаются с радиальными, образуя в конечном итоге форму, близкую к полудиску. Наконец появляется серия подповерхностных трещин, которые располагаются между радиальными и распространяются параллельно поверхности. При разгрузке все три типа трещин развиваются и появляются дополнительные трещины. Хотя и для аморфных и для кристаллических материалов конечная конфигурация трещин подобна, образование их различно. В любом случае трещины зарождаются на границе пластической зоны с упругой и распространяются в упругую область вдаль от пластической.

После зоны незадолго до полного снятия нагрузки, примерно до 10% максимальной, трещины растут вверх к поверхности, принимая блюдцеобразную форму. Пересечение боковых трещин с поверхностью образца и с радиальными трещинами с приводит к откалыванию соответствующих участков материала от образца [69]. Форма откольной области напоминает форму раковины морского гребешка.

Картины локального разрушения в виде трещин и сколов наблюдали на поверхности монокристаллов корунда [82] и в керамике TiB₂ [83]. В работе [82] появление сколов наблюдали при нагрузках индентирования Р = 1,92 Н, в керамике TiB2 — при нагрузках от 98 Н [83].