Самозалечивание микротрещин в ионных крсталлах и его стимулирование воздействием электромагнитного излучения видимого и рентгеновского диапазонов длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

РГ& од

2 Ц да 2000

ПЛУЖНИКОВА Татьяна Николаевна

УДК 539.3

САМОЗАЛЕЧИВАНИЕ МИКРОТРЕЩИН В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ И ЕГО СТИМУЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВИДИМОГО И РЕНТГЕНОВСКОГО ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН

Специальность 01.04.07 - «физика твердого тела»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Белгород 2000

Работа выполнена на кафедре общей физики Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина.

Научные руководители: - доктор физико-математических

наук, профессор В.А. Федоров;

- кандидат физико-математических наук, доцент Ю.И. Тялин.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

профессор И.М. Неклюдов;

- кандидат физико-математических наук, доцент В.М. Иванов.

Ведущая организация: - Институт кристаллографии

им. А.В. Шубникова РАН.

Защита диссертации состоится июля 2000 г. в часов на за-

седании специализированного совета К. 113.52.05. при Белгородском государственном университете. Отзывы, заверенные гербовой печатью, высылать по адресу: 308007, г. Белгород, ул. Студенческая, 12, БелГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного университета.

Автореферат разослан " ЛО " им?Ас<£Ь- 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук ^ Н.А. Чеканов

0 3 03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Механическое разрушение кристаллических тел обусловлено появлением и развитием трещин. Устранение последних или частичное их заживление позволяет увеличить надежность и долговечность конструкций, сохранить их прочностные характеристики.

К настоящему времени накоплен определенный объем экспериментальных данных и определен ряд закономерностей, характерных для залечивания пор и трещин в различных материалах.

Несмотря на значительный интерес к проблеме «залечивания» трещин, пор, усадочных раковин и т.д., количество работ, посвященных восстановлению сплошности в прозрачных диэлектриках относительно невелико. В них практически не затрагиваются физические процессы, происходящие при схлопывании трещин без воздействия каких-либо внешних факторов. Есть лишь единичные попытки рассмотрения механизмов восстановления нарушенных межатомных связей. До настоящего времени остается достаточно много неизученных вопросов в заживлении трещин, в частности, касающихся факторов и условий, при которых залечивание происходит наиболее интенсивно. В известных работах не анализировалось влияние геометрического фактора, обратимой пластичности в вершине залечиваемой трещины, степени ювенильности соединяемых поверхностей и т.д.

В связи с изложенным, проведение исследований, направленных на восстановление сплошности материала актуально не только в научном плане, но и в практическом аспекте.

Цель и задачи исследования. Работа посвящена экспериментальному и аналитическому исследованию процесса самозалечивания трещииы несимметричного скола в щелочногалоидных кристаллах (ЩГК), а также установлению условий и факторов, интенсифицирующих восстановление разрушенных связей или препятствующих этому.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать кинетические закономерности разрушения и самозалечивания трещин в щелочногалоидных кристаллах при асимметричном сколе. Установить взаимосвязь между дислокационной структурой в вершине остановившихся трещин, величиной ее пластического раскрытия и качеством залечивания.

2. Изучить влияние электромагнитного излучения различных длин волн, от теплового до рентгеновского, на качество залечивания, его кинетические характеристики, величину обратимой пластичности и выяснить возможный механизм воздействия электромагнитного излучения на процесс самозалечивания трещин асимметричного скола.

3. Определить роль ювенильности поверхностей в процессах восстановления ионных связей и критическое время раскрытия трещины, при котором ее поверхности остаются физически чистыми.

4. Определить роль геометрического фактора - плоскопараллелыюго и вращательного сдвигов плоскостей относительно друг друга - в восстановлении нарушенных связей.

5. Сформулировать основные принципы и условия, при которых происходит восстановление нарушенных ионных связей.

Научная новизна.

1. Показано, что при несимметричном сколе ионных кристаллов наблюдается самопроизвольное залечивание трещин за счет микропластичности, развивающейся в момент остановки трещины в ее вершине, включающей обратимое движением дислокаций после разгрузки кристалла. Выделены две стадии залечивания: «быстрая» в момент разгрузки и «медленная», связанная с диффузионными процессами и стимулированием обратимой пластичности.

2. Установлено, что плотность дислокаций в полосах скольжения, «выброшенных» вершиной трещины, после разгрузки кристалла описывается зависимостью с максимумом. В непосредственной близости от вершин трещин имеется зона, свободная от дислокаций. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с аналитической оценкой эволюции пластичности.

3. Установлено, что воздействие на кристалл с трещиной, полученной при асимметричном сколе, излучением оптического диапазона, рентгеновским излучением, инфракрасным или их комбинацией интенсифицирует процесс залечивания как во времени, так и по качеству за счет увеличения числа дислокаций, обратимо выходящих на поверхность трещины.

4. Установлена зависимость между величиной и временем раскрытия трещины и размером залеченного участка, определяющую роль, в которой играет ювенильность поверхностей, создающая оптимальные условия для восстановления сплошности.

5. Показано, что одной из причин, препятствующих восстановлению разрушенных связей, является геометрический фактор - относительный сдвиг и разворот соединяемых поверхностей ионных кристаллов, сопровождающиеся снижением сил взаимодействия на два-три порядка.

6. Сформулированы физические представления, подтвержденные экспериментально. о механизме восстановления разрушенных связей, заключающиеся в том, что восстановление сплошности возможно, прежде всего, при соприкосновении физически чистых (ювенильных) поверхностей и одновременной активизации подвижности поверхностных ионов, способствующей восстановлению нарушенных связей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально отработана методика получения в образцах ЩГК самозалечивающихся трещин, залегающих в плоскости {100}, основанная на асимметричном сколе кристалла. Вероятность и качество самозалечивания определяются процессами прямой и обратимой микропластичности в вершине трещины асимметричного скола. При этом форма и размеры пластической зоны определяются соотношениями геометрических размеров кристаллов, его механическими свойствами и степенью асимметричности скола

2. При остановке трещины в ее вершине формируется микропластическая зона в виде характерного симметричного или несимметричного «креста» из дислокационных полос, что обеспечивает пластическое вскрытие трещины и соответствующее расхождение ее берегов. При разгрузке образца, за счет обратимого движения дислокаций, величина расхождения берегов трещины сокращается. В случае незначительной пластичности (определенной в эксперименте) после обратимого выхода дислокаций на поверхности трещины, последние могут сблизиться на расстояние, достаточное для восстановления нарушенных связей - «быстрая» стадия залечивания. При этом в вершине трещины неизбежно должен остаться микроканал, залечивание которого возможно за счет диффузионных процессов или стимулированной обратимой пластичиости - «медленная» стадия залечивания.

3. Обратимая микропластичность обусловлена соотношением напряжений, действующих на дислокации в плоскостях залегания: напряжений трения, изображения и напряжений от взаимодействующих дислокаций. Суммарное действие напряжений изображения и взаимодействия дислокаций вызывает обратимое движение дислокаций и их выход на поверхности трещины до тех пор, пока силы трения не остановят этот процесс. Воздействие излучения различных длин волн, а также нагрева, меняет соотношение указанных напряжений, в частности, в результате уменьшения напряжения трения за счет разблокировки стопоров.

4. Временем и величиной раскрытия трещины определяется глубина проникновения атмосферного воздуха в полость трещины. Будучи электрически и химически активными, поверхности трещины адсорбируют ионы воздуха, теряя при этом ювенильность. Оценка глубины проникновения воздуха показывает, что внутренние участки полости трещины остаются физически чистыми и именно на них наблюдается полное восстановление сплошности, что подтверждается отсутствием образования строчечных дислокационных фигур при последующем химическом травлении образцов.

5. Аналитическая оценка сил взаимодействия поверхностей скола, представленных в виде мозаично заряженных моноатомных плоскостей, показала, что при параллельном сдвиге таких плоскостей на расстояние 0,3 параметра решетки происходит уменьшение сил взаимодействия на 1 -2 порядка, а относительный плоскопараллельный разворот всего лишь на несколько минут понижает силу взаимодействия

практически до нуля от исходного значения, равного теоретической прочности на разрыв ~Е/ Л" (Е — модуль упругости).

Практическая значимость работы.

Полученные в работе экспериментальные и аналитически обоснованные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности восстановления нарушенных связей в ионных кристаллах и её интенсификации путем воздействия излучения различных длин волн с одновременным нагревом, и могут быть использованы при устранении микротрещин в оптических элементах, изготовленных из ЩГК и работающих в соответствующих диапазонах длин волн. Сформулированные представления о механизме восстановления сплошности в ионных кристаллах могут быть применены для кристаллов с другим типом связей, в частности, с ковалентными или металлическими.

Залечивание микротрещин при воздействии коротковолнового излучения позволит оптимизировать режимы эксплуатации радиационно-нагруженных конструкций, в частности, по параметрам накопления повреждений.

Результаты работы могут быть использованы при разработке теорий прочности и пластичности твердых тел.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996 г.), IV международной школе - семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1998), на Международной конференции «Не-разрушающее тестирование и компьютерное моделирование в науке и инженерии» (Санкт-Петербург, 1998), на конференции «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999), на XXXIV Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Тамбов, 1999), на 5 Российско-китайском Международном симпозиуме «Фундаментальные проблемы разработки материалов и процессов XXI столетия» (Байкальск, 1999), на XXXV семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Псков, 1999), на 3 семинаре В.А. Лихачева «Современные проблемы прочности» (Новгород, 1999), на международной конференции ISEM 99 (Pavia, Italy, 1999), на международной конференции Euromech-4 (Франция, 2000), на научных конференциях преподавателей и сотрудников ТамбГУ (1997-2000 г.г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 18 работах, указанных в конце автореферата.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка полученных данных, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.

Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант № 98-01-00617), а также Министерством общего и профессионального образо-

вания (грант по фундаментальным исследованиям в области естественных наук №97-0-4.3-185).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка цитируемой литературы из 193 наименований. Работа содержит 141 страницу текста, включая 50 рисунков, одну таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, практическая значимость, научная новизна, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор и анализ литературных данных по теме диссертации.

Рассмотрены представления о трещине как концентраторе напряжений и источнике последующего разрушения. Проведен анализ работ, посвященных исследованию зарождения, распространения и залечивания трещин в кристаллических материалах.

Приведены и проанализированы данные о залечивании трещин и пор. Дано краткое описание оценки качества залечивания трещин и методов его повышения.

Особое внимание уделено обсуждению вопросов, связанных с внешним воздействием при залечивании микротрещин: одноосного сжатия, теплового воздействия, комбинированного воздействия теплового и электрического полей.

В заключение обзора сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию кинетики процессов самопроизвольного залечивания трещин асимметричного скола.

Для регистрации быстропротекающих процессов применялась установка, в основе которой использовался сверхскоростной фоторегистратор СФР-1М. Съемки процессов проводились в режимах фоторегистрации и лупы времени.

Использовали образцы монокристаллов 1лР и КС1 размером 18x10x2 мм с количественным содержанием примесей 10"3 вес.%. Степень асимметричности скола составляла ~ 0,58. Скол осуществлялся тарированным ударом с энергией ~ 50 мДж, и регистрировался со скоростью - 500000 кадр/с.

Методом скоростной кинематографии исследованы кинетика роста и морфология залечивания трещин несимметричного скола. Установлено, что при асимметричном сколе в ЩГК наблюдается несколько вариантов развития трещин: 1) трещина бокового откола самозалечивается за счет релаксации напряжений в ее вершине, обусловленной ростом магистральной трещины; 2) самопроизвольное залечивание магистральной трещины при развитии трещины бокового откола; 3) появление несколь-

ких трещин бокового откола, наличие которых делает возможным залечивание как первичной трещины бокового откола, так и магистральной.

Определены критические скорости развития и схлопывания магистральных трещин и трещин бокового откола, при которых поверхности трещин сохраняются физически чистыми. Скорость магистральной трещины без образования бокового откола достигает для кристаллов LiF 492 ¿54 м/с и для - KCl 705 ¿18 м/с, а с зарождением бокового откола -307±66 м/с и 618±40 м/с, соответственно. Это объясняется перераспределением энергии между магистральной трещиной и трещиной бокового откола. Скорость распространения трещины бокового откола сопоставима со скоростью схлопывания этой трещины и составляет не менее 60 ± 4 м/с. Средняя скорость видимого закрытия магистральной трещины для кристаллов LiF равна 314 ± 47 м/с и KCl - 278 - 69 м/с. Процесс бокового откола происходит поэтапно: рост боковой трещины, ее возможное частичное залечивание и окончательный выход на боковую грань.

Показано, что развитие трещины происходит неравномерно, скачкообразно. Длина трещины может меняться в колебательном режиме. После бокового откола трещина, как правило, самозалечивается.

Определено время раскрытия трещины при ее обратимом движении в кристалле. составляющее 10-15 мкс. За это время поверхности трещины не успевают загрязниться атмосферным воздухом и, оставаясь ювенильными, легко схватываются, восстанавливая сплошность кристалла.

Показано, что возникновению бокового откола предшествует значительное изменение поля упругих напряжений в вершине магистральной трещины.

Третья глава посвящена исследованию структуры и морфологических особенностей самозалечивапия трещин асимметричного скола в ЩГК и кальците.

Исследования проводили на оптически прозрачных монокристаллах LiF, NaCl, KCl и СаСО, с количественным содержанием примесей от НУ2 до 10'3 вес.%. Из крупных блоков по плоскостям спайности выкалывали образцы размером 15x30x2 мм для ЩГК и 10x15x2 мм - для кальцита. Каждый образец ЩГК скалывали по плоскости спайности (100) на некотором расстоянии от оси симметрии кристалла.

Дислокационную структуру вершины остановившейся трещины исследовали на монокристаллах LiF и СаС03. После асимметричного скола по (100) кристаллы LiF, раскалывали дополнительно по плоскости (010) для получения контрольного и испытуемого образцов. На образующихся при этом чистых поверхностях химическим травлением в растворах РеС!3 и виннокаменной кислоты выявляли дислокационную структуру, соответственно для LiF и СаС03.

Скол осу ществлялся тарировш шым ударом с энергией от 3 мДж до 100 мДж.

Качество залечивания трещин определяли на микротвердомере ПМТ-3, путем запуска трещины через залеченный участок.

Установлено, что при несимметричном сколе монокристаллов LiF, NaCl, KCl, СаСОз всегда имеет место самопроизвольное залечивание.

Выявлены морфологические особенности наблюдаемых вариантов откола и фигур травления. При остановке исходной трещины боковой откол в ЩГК происходит преимущественно по плоскости (001) (-73%) и с меньшей вероятностью по плоскости (101) (-22%). В кальците боковой откол проходит только по плоскости (001). Прямоугольный откол зарождается, как правило, на расстоянии 2+5 мм от вершины исходной трещины. Откол же под углом 45° развивается непосредственно из вершины остановившейся трещины.

Установлено, что остановившаяся трещина асимметричного скола имеет большую длину, чем отколовшаяся часть кристалла. Оставшаяся в кристалле трещина после откола и разгрузки образца чаще всего самозалечивается. Определены зависимости относительных размеров трещин скола и длины залеченного участка от степени асимметричности.

Характер распространения остановившихся и оставшихся в кристалле трещин определяется геометрией образца и пластичностью кристалла.

Отмечено, что длина залеченного участка и плотность дислокаций у вершин трещин экспоненциально зависит от степени асимметричности скола.

При самозалечивании траектория бывшей трещины может практически не выявляться при травлении или оставлять строчку обычных и реанимирующих дислокаций. Во всех случаях наблюдается визуальное восстановление сплошности. Незалеченными, как правило, остаются трещины, в вершине которых имеет место значительная микропластичность.

При увеличении асимметричности скола имеет место тенденция к понижению симметричности фигур травления относительно плоскости трещин. Причем вид симметрии может быть различным - от двулучевой «розетки» до четырехлучевой. При увеличении степени асимметричности уменьшается число лучей и изменяется их длина, а также соотношение размеров лучей, лежащих по разные стороны от плоскости трещины.

Неоднородное распределение напряжений в вершине трещины влияет на развитие микропластических сдвигов в этой области. Увеличение асимметричности скола и, как следствие, неоднородности поля напряжений сопровождается изменением фигур травления в вершине трещины от симметричных к несимметричным, и выявляющихся преимущественно в одной из систем скольжения.

Выявлено, что длина залеченного участка зависит от степени асимметричности скола. Уменьшение степени асимметричности скола приводит к увеличению длины залеченного участка.

Установлено существование критического пластического вскрытия трещины 8 ~40 нм. При вскрытиях меньших $кр после выхода части дислокаций на поверхность трещины, ее берега могут сблизиться на расстояния, достаточные для вос-

становления ионных связей. Таким образом, самопроизвольное залечивание будет чаще наблюдаться тогда, когда пластичность тем или иным образом подавлена.

Экспериментально найдено, что плотность дислокаций в лучах «розеток» экспоненциально спадает по мере удаления от вершины трещины. В непосредственной близости от вершины залеченной трещины имеется ограниченная зона, свободная от дислокаций.

Предложена методика оценки качества залечивания трешин, основанная на аномальном растрескивании поверхности кристалла при его индентировании с определенной ориентацией пирамидки Виккерса. Вблизи залеченного участка у вершин трещин асимметричного скола наносили отпечаток пирамидкой Виккерса, диагональ которого ориентировали по <110>. Трещины от воздействия индентора проходили сквозь русло самозалечившейся трещины, не меняя траектории своего движения. При наличии свободной поверхности и отсутствии залеченного участка трещина от пирамидки Виккерса меняла свою траекторию и уходила в трещину скола, указывая тем самым на отсутствие залечивания.

Предложен механизм залечивания трещин, заключающийся в восстановлении межионных связей при соприкосновении ювенильных поверхностей трещины. Вследствие бокового откола начинается разгрузка образца и исходная трещина тормозится. Пока еще образец остается нагруженным, в вершине трещины имеет место заметная эмиссия дислокаций. В зависимости от их числа и геометрии скольжения создается различное по величине пластическое вскрытие 5 трещины. В какой-то момент времени эмиссия дислокаций прекратится и, по мере дальнейшего уменьшения нагрузки начнется первая «быстрая» стадия залечивания - пластическое закрытие трещины. Оно может развиваться как за счет обратимого сваливания в нее испущенных дислокаций, так и за счет движения новых дислокаций противоположного знака по соседним параллельным плоскостям скольжения или им перпендикулярным, если движение дислокаций по первичной полосе скольжения затруднительно. Первое обусловлено действием сил отгалкивания между дислокациями, лежащими в одной плоскости скольжения, и сил изображения, второе - действием упругих напряжений в образце. Если результирующее (конечное) вскрытие 8 окажется достаточно малым 8 < 40 нм, то части кристалла, двигаясь по инерции навстречу другу схлопыва-ются. Так как процесс развивается достаточно быстро, то большая часть поверхности трещины, остается ювенильной, что способствует восстановлению ионных связей. Совершенство залечивания будет, очевидно, определяться разностью испущенных и «новых» дислокаций (и геометрией их скольжения). При сравнимости этих величин на месте фронта остановившейся вершины трещины сохранится микропустота в виде узкого канала. Размеры этого канала в дальнейшем могут быть уменьшены (2-я стадия залечивания), если в результате какого-либо внешнего воздействия часть оставшихся дислокаций будет поглощена им. В «быстрой» стадии залечивания, очевидно, немаловажным фактором является совпадение рельефа соединяемых поверхностей,

которое может быть идеальным. В случае значительной пластичности в вершине трещины, ее раскрытие 5 оказывается достаточно велико (3 >40 нм), и за счет описанных выше процессов возможно лишь частичное сближение берегов вскрытия. Необходимо внешнее силовое воздействие, направленное на сближение поверхностей, которые уже не будут ювенильными. После их соединения на поверхности наблюдения будут выявляться строчки обычных и реанимирующих дислокаций.

В четвертой главе проведено математическое моделирование пластического течения у вершин трещин.

Изучено пластическое течение в вершине остановившейся трещины применительно к кристаллам фтористого лития. Рассмотрены две стадии формирования дислокационной структуры в вершине трещины - образование линий скольжения в момент остановки трещины и их эволюцию после разгрузки образца и частичного залечивания трещины.

При составлении уравнений равновесия дислокаций, эмитируемых трещиной в плоскости скольжения, учитывались напряжения, действующие на дислокацию со стороны трещины Хт, сил изображения Т ■, взаимодействие дислокаций Xи сопротивление кристалла сдвигу

хг(х«) + Ето(х«'х./)~тх ~т< = 0 > и = 1,2,...,ю. (1)

Система уравнений (1) решалась численно методом Ньютона. Величины, входящие в расчетные выражения, имели следующие значения: С7=5,15*1010 Н/м2; ¿>=2,85*10"'° м; 1' =0,187; Т5 =1,2*106Н/мг.

Установлено, что плотность дислокаций р(х) = I Ах наиболее велика в хвостовой части линии скольжения, примыкающей к трещине, и составляет ~ 106 м"1. В области головных дислокаций ее величина уменьшается более чем на порядок.

В общем случае N увеличивается при уменьшении сил сопротивления со стороны кристалла движению дислокаций. При неизменном Т^, число дислокаций в линии скольжения растет с увеличением расклинивающей силы, т. е. в кристаллах с большей поверхностной энергией у следует ожидать и более интенсивного пластического течения за счет увеличения напряжений в вершине трещины.

Показано, что при используемых в расчетах значениях усилий и напряжений трения пробег головной дислокации меняется от десятков микрон до И 2* 10"3 м.

При рассмотрении второй стадии залечивания - после разгрузки образца - показано, что расположение дислокаций в голове скопления сохранилось прежним. В области же, примыкающей к трещине, число дислокаций уменьшилось, одновременно изменились расстояния между ними. Зависимость плотности дислокаций от расстояния до трещины не является монотонной, а имеет сложный вид с экстремумом на значительном расстоянии от вершины трещины. Причем максимальное значение плотности дислокаций равно 2*105 м"', а в непосредственной близости от вершины трещины имеется ограниченная зона, свободная от дислокаций.

Установлено, что общая ситуация соответствует выходу на поверхность трещины ~40% дислокаций, т.е. наряду с односторонним течением имеет место заметная доля обратимой пластической деформации.

Исследовалось также изменение характеристик пластического течения в вершине трещины для случаев, когда деформированная зона представлялась набором из нескольких линий скольжения. В этом случае взаимодействие какой-либо дислокации с дислокациями в соседних плоскостях можно учесть увеличением вектора Бюр-герса пропорционально количеству линий скольжения. Длина линий скольжения уменьшается с увеличением вектора Бюргерса. Относительное уменьшение размера пластической зоны также невелико, в частности, при увеличении вектора Бюргерса дислокации в три раза длина линии скольжения уменьшается на ~10%.

Высказано предположение, что пластичность в вершине трещины будет затруднять ее залечивание при остановке в результате бокового откола. Необходимое для восстановления сплошности кристалла сближение берегов трещины может обеспечиваться упругой энергией, запасенной нагруженным образцом.

Методом моделирования оценено изменение сил взаимодействия между поверхностями скола в зависимости от их взаимного расположения. Геометрическое несовпадение поверхностей разрыва может быть одной из причин, препятствующих реанимации нарушенных связей.

Поверхности скола в ионных кристаллах можно представить в первом приближении как две бесконечные плоскости, мозаично заряженные ионами разных знаков. В кристаллах фтористого лития - это ионы 1л+ и Р, которые взаимодействуют между собой по закону Кулона.

Ионы в каждой плоскости жестко закреплены на расстояниях а, равных параметру решетки (2* 10"'° м). Расстояние между плоскостями выбиралось кратным а. В каждой из плоскостей задавали последовательно 5x5, 10x 10, ..., 50x50 ионов. Затем в центре одной из плоскостей выбирали квадрат единичной площади и оценивали силу взаимодействия его с другой плоскостью. В модели определяли силу взаимодействия для кристаллов фтористого лития.

Исследовались несколько случаев:

изменение силы взаимодействия при параллельном сдвиге плоскостей друг относительно друга в пределах параметра решетки;

изменение силы взаимодействия при повороте одной из поверхностей относительно другой на угол до 5°;

изменение силы взаимодействия при параллельном сдвиге одной из плоскостей на а/2 в одном направлении с последующим поворотом относительно другой плоскости на угол до 5°;

изменение силы взаимодействия при параллельном сдвиге одной из плоскостей на а/2 в двух взаимно перпендикулярных направлениях с последующим поворотом относительно другой плоскости на угол до 5°;

изменение расстояния между двумя взаимодействующими плоскостями от одного до нескольких параметров с последующим разворотом на угол до 5°.

Расчеты показывают, что при сдвиге плоскостей на доли параметра решетки, сила притяжения существенно уменьшается. Так, при сдвиге на ~0,3я сила взаимодействия убывает на порядок. Это же относится и к силе отталкивания. С увеличением числа ионов в плоскостях численное значение силы притяжения незначительно уменьшается, и при числе ионов в плоскосгях 30 х 30 выходит на насыщение. Восстановление ионных связей наиболее вероятно в случае, если параллельный сдвиг плоскостей будет равен четному числу параметров решетки.

Результат расчета реально отражает физическую картину, так как при взаимодействии заряженных плоскостей без относительного сдвига, значение силы максимально и численно равно теоретической прочности на разрыв ~ Е ¡71. При развороте плоскостей даже на малый угол ~3 происходит резкое уменьшение сил взаимодействия между ними. Дальнейшее увеличение угла разворота сопровождается монотонным уменьшением значений силы на 2 порядка. При углах разворота >30 сила взаимодействия приближается к нулю, причем это тем существеннее, чем большее число атомов находится в плоскости.

При параллельном сдвиге плоскостей относительно друг друга на а/2 в одном направлении, и при сдвиге одновременно на расстояние а/2 в двух направлениях с последующим поворотом, наблюдается уменьшение амплитуды силы по сравнению со значениями силы в исходном состоянии. Увеличение числа ионов во взаимодействующих плоскостях ведет к меньшим флуктуациям значений силы около нуля при развороте плоскостей относительно друг друга.

Экстраполяция результатов расчета в область с большим числом взаимодействующих атомов показывает, что при допущениях, принятых в работе, ошибка расчета не превышает 10 %.

Таким образом, показано, что одной из причин, препятствующих залечиванию трещин, является геометрический фактор - несовпадение мест разрыва, созданных вследствие параллельного смещения и разворота взаимодействующих плоскостей. При этом сила взаимодействия уменьшается на 2-3 порядка.

Влияние геометрического фактора можно уменьшить, если исключить сопутствующее скольжение в кристаллографических плоскостях, создающее тангенциальное смещение поверхностей трещины.

В пятой главе исследовалось влияние электромагнитного излучения различных длин волн на процессы самозалечивания трещин в ЩГК после асимметричного скола, как факгора активизирующего процесс самозалечивания трещин.

Исследования проводили на монокристаллах LiF и СаС03 с содержанием примесей 10"4, 10"3 и 10"2 вес.%.

В первой серии экспериментов кристаллы нагревали в печи в интервале температур от 300 К до 773 К.

Во второй серии экспериментов кристаллы подвергали воздействию светового излучения с длинами волн (350 4- 760) нм от вольфрамовых ламп накаливания мощностью 20 Вт и 100 Вт с максимальной энергией излучения в спектре 1,06 и 1,24 эВ соответственно, одновременно нагревающих образцы до температур 325-г 355 К. Освещенность поверхности образцов, в зависимости от мощности лампы и светофильтра изменялась от 4 лк до 15 клк. Время воздействия варьировалось от 10 до 1500 часов.

В третьей серии кристаллы подвергали воздействию излучения с длиной волны Я =0,154 нм. Облучение кристаллов рентгеновскими лучами проводили на аппарате ДРОН-2. Время воздействия изменялось от 3 до 60 минут. Облучению подвергали участок предполагаемого залечивания трещины узконаправленным пучком шириной ~1 мм.

Установлено, что в процессе отжига или длительной временной выдержки при комнатной температуре вид залеченного участка и дислокационная картина у вершины трещины заметно меняется. 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, чем длительнее временная выдержка.

Увеличение температуры позволяет сократить время, необходимое для залечивания микротрещин. Экспоненциальный характер полученных зависимостей говорит о протекании термоактивированных процессов.

Показано, что воздействие электромагнитного излучения видимого диапазона приводит также к изменению дислокационной структуры у вершины трещины. Уменьшается суммарная плотность дислокаций в окрестности вершины. Зависимости изменения числа дислокаций у вершин трещин от времени воздействия излучения носят экспоненциальный характер.

Установлено, что при прочих равных условиях, процессы релаксации напряжения и залечивания протекают в кристаллах, подверженных воздействию электромагнитного излучения видимого диапазона, интенсивнее в ~5 раз по сравнению с нагревом.

Совместное действие электромагнитного излучения видимого диапазона и нагрева усиливает эффект.

Воздействие света увеличивает подвижность дислокаций и стимулирует процессы залечивания у вершин остановившихся трещин также за счет обратимого движения дислокаций.

Действие света разной интенсивности и разного спектрального состава приводят к разным изменениям дислокационных фигур травления у вершин трещин после асимметричного скола. Зависимость эффекта от спектрального состава излучения

выражается кривой, максимальные значения на которой лежат в области коротких длин волн видимого диапазона.

Воздействие света и одновременный нагрев способствуют релаксации механических напряжений и приводят, соответственно, к изменению плотности дислокаций у вершины трещины. Последнее, по-видимому, обусловлено различием величин энергии, получаемой кристаллом при нагреве и освещении.

Полученные экспоненциальные зависимости говорят о протекании термически активируемых процессов. Интенсивность залечивания и релаксации напряжений зависит, как показано, от спектрального состава излучения и его интенсивности. По-видимому, и при нагреве и при действии видимого излучения активизируется один и тот же механизм, вероятность срабатывания которого тем больше, чем меньше длина электромагнитного излучения. Наибольший эффект наблюдается при воздействии рентгеновского излучения.

Во всех случаях воздействие излучения приводит к изменению энергетического состояния дислокаций и стопоров, и наблюдаемое в эксперименте стимулирование залечивания облучением может быть объяснено проявлением фотопластического эффекта.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложена методика получения самозалечивающихся трещин, основанная на асимметричном сколе кристалла. Для ЩГК определены кинетические параметры роста и залечивания трещин асимметричного скола. Изучена конфигурация полей напряжений и установлены причины возникновения бокового откола. Оценено характерное время раскрытия трещины перед самозалечиванием, что дало возможность определить размеры поверхностей трещин, сохраняющих ювенильность.

2. Экспериментально установлена взаимосвязь дислокационной микропластичности в вершине остановившейся в кристалле трещины с качеством и величиной залеченного участка. Показано, что в окрестности вершины залечившейся трещины имеется зона, свободная от дислокаций. Выделены две стадии залечивания: «быстрая», связанная с разгрузкой образца и обусловленная релаксацией упругой энергией, запасенной в кристалле, и «медленная», заключающаяся в залечивании пустотного канала в вершине трещин в результате диффузионных процессов и активизированной пластичности.

3. Аналитически рассмотрено распределение дислокаций в лучах дислокационного «креста» в вершине трещины в момент ее остановки и после полной разгрузки кристалла. Пластическая зона моделировалась одиночными линиями и полосами скольжения. Для обеих стадий определено число дислокаций, испущенных трещиной при ее остановке, изучено их распределение вдоль линии скольжения. Показано наличие в непосредственной близости от вершины трещины зон, свободных от дисло-

каций. и определены их размеры в зависимости от соотношения сил трения, изобра-жеиия и взаимодействия между дислокациями. Отмечена высокая степень корреляции результатов расчета и экспериментальных данных.

4. Выяснена роль геометрического фактора, препятствующего залечиванию трещин - плоскопараллельного поступательного и вращательного сдвигов взаимодействующих плоскостей относительно друг друга. Показано, что небольшой относительный разворот мозаично заряженных плоскостей понижает электростатическую силу взаимодействующих поверхностей на несколько порядков. С увеличением числа ионов во взаимодействующих плоскостях эта сила стремится к нулю. Одновременный сдвиг берегов трещины вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений с разворотом еще более уменьшает силу взаимодействия ее поверхностей.

5. Показано, что нагрев или нагрев и одновременное воздействие электромагнитного излучения от оптического диапазона до рентгеновского активизирует на «медленной» стадии процессы самозалечивания трещин за счет разблокировки стопоров, увеличения подвижности дислокаций и, как следствие, повышает качество залечивания и величину залеченного участка. При этом наибольший эффект наблюдается при воздействии излучения рентгеновского диапазона.

6. Предложена методика оценки качества залечивания методом индентирова-ния, при котором через залеченный участок пропускается локализованная полоса скольжения или микротрещина, создаваемые индентором Виккерса с диагональю отпечатка ориентированной в направлении <110>.

7. На основе полученных результатов сформулированы условия, необходимые и достаточные для залечивания трещин в ЩГК: это прежде всего сохранение юве-нильности поверхностей, их сближение до расстояний, достаточных для восстановления нарушенных связей, и возбуждение поверхностных ионов (атомов), например, нагревом или электромагнитным излучением с целью увеличения вероятности попадания их в энергетически устойчивое положение, отвечающее закономерному расположению атомов в области залечивания.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Федоров В.А., Тялин Ю.И., Плужникова Т.Н., Николюкин A.M. Аналитическая оценка условий зарождения разрушения на границе упругого двойника в кальците // Тез. докладов международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений». Тамбов. -1996, с. 120-121.

2. Федоров В.А., Ушаков И.В., Плужникова Т.Н. Микропластичность, разрушение и самозалечивание в кристаллах NaCl, LiF, и СаС03 при несиммет-

ричном сколе // Вестиик Тамбовского государственного университета. -

1997, т. 2, № 3, с. 291-293.

3. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Ушаков И.В. О разрушении, микропластичности и самозалечивании трещин в кристаллах NaCl, LiF и СаС03 при асимметричном сколе // Тез. докл. IV международной школы - семинара "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул. -

1998, с. 31.

4. Шелохвостов В.П., Федоров В.А., Ушаков И.В., Плужникова Т. Н. Взаимовлияние исходной и растущей трещин в ЩГК и кальците // Труды ТГТУ. 40 лет ТГТУ. Часть 1, Тамбов. - 1998, с. 160-165.

5. Королев А.П., Плужникова Т.Н.. Ушаков И.В., Дробышев А.С. О моделировании процессов объединения лазерно-индуцированных трещин в ЩГК и кальците // Труды ТГТУ. 40 лет ТГТУ. Часть 2, Тамбов. - 1998, с. 229-231.

6. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Тялин Ю.И., Белобородое ГШ. Кинетика роста и залечивания трещин асимметричного скола // Вестиик Тамбовского государственного университета. - 1998, т. 3, № 3, с. 239-241.

7. Feodorov V.A., Ushakov I.V., Plushnikova T.N. Interaction of laser-induced and initial defects in transparent single crystals // Nondestructive testing and computer simulations in materials science and engineering. St. Petersburg State tech. university, preprints. - 1998, G3B.

8. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Ushakov I.V. Stimulation of self-healing and stress relaxation in the tip of the crack of asymmetrical cleavage // Nondestructive testing and computer simulations in materials science and engineering. St. Petersburg State tech. university, preprints. - 1998, Gil.

9. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Ushakov I.V. Electromagnetic Stimulation of cracks healing in Transparent Dielectrics // ISEM 99, Pavia, Italy, abstract, p. 104.

10. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Tjalin Yu.I. Healing of microcracks in LiF single crystals from exposure to electromagnetic radiation of a visible spectrum // V Russian-Chinese International symposium. Advanced material and processes Fundamental Problems of Developing Advanced Materials and Processes of XXI Century, Baikalsk. - 1999, p. 68-69.

11. Тялин Ю.И., Федоров B.A., Плужникова Т.Н., Куранова В.А. Дислокационная пластичность в вершине самозалечившихся трещин // Вестник Тамбовского государственного университета. -1999, т. 4, № 1, с. 23-27.

12. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Ушаков И.В. О взаимодействии исходной и ла-зерно-индуцированной трещин в оптически прозрачных ионных кристаллах // Физика и химия обработки материалоа - 1999, №4, с. 16-20.

13. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Тялин Ю.И. Влияние излучения видимого диапазона на залечивание остановившихся трещин в прозрачных диэлектриках // Механизмы деформации и разрушения перспективных материа-

лов. Сборник трудов XXXV семинара «Актуальные проблемы прочности» 15-18 сентября 1999, Псков, с. 474-477.

14. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Тялин Ю.И., Глушков А.Н. Кинетика самозалечивания трещин асимметричного скола // Сборник научных трудов Ш Международного семинара «Современные проблемы прочности» имени В.А. Лихачева, 20-24 сентября 1999 года, Старая Русса, т. 2, с. 133-136.

15. Федоров В.А., Николюкин А.М., Плужникова Т.Н., Чиванов A.B. О термоактивированном зарождении трещин на границе упругого двойника в кальците // Вестник Тамбовского государственного университета. - 2000, т. 5, вып. 2-3, с. 382-383.

16. Плужникова Т.Н. Аналитическая оценка сил взаимодействия мозаично заряженных плоскостей в зависимости от их относительного расположения // Вестник Тамбовского государственного университета. - 2000, т. 5, вып. 2-3, с. 391-392.

17. Федоров В. А., Плужникова Т.Н., Тялин Ю.И. Залечивание трещин, остановившихся при несимметричном сколе в щелочногалоидных кристаллах и кальците // ФТТ. - 2000, т. 42, № 4, с. 685-687.

18. Тялин Ю.И., Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Куранова В.А. Аналитическая оценка распределения дислокаций в вершине остановившихся трещин // ФТТ. - 2000, т. 42, № 7, с. 1253-1255.

Подписано в печать J4.05.2000 г. Формат 60x84/16. Объем 1,16 п.л. Тираж 102 экз. Заказ № 1710. Бесплатно. 392008, Тамбов, ул. Советская, 181 а. Издательство ТГУ им. Г.Р. Державина.