Особенности перехода откольных трещин в полосу

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДА ОТКОЛЬНЫХ ТРЕЩИН В ПОЛОСЫ
ЛОКАЛИЗОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Буравова С.Н., Петров Е.В., Щукин А.С.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной
макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии Наук, г. Черноголовка
[email protected]
Исследования откольных трещин различной формы (плоские, угловые,
цилиндрические) показали, что по мере затухания амплитуды ударной волны, трещины
вырождаются в полосы локализованной деформации, и при этом полосы
распространяются по материалу, структура которого на испытывает деформационного
изменения. Это противоречит традиционной модели деформирования. Согласно
термопластической модели, адиабатические полосы сдвига являются результатом
потери устойчивости пластического течения, которое возникает в результате
разупрочнения материала при переходе механической работы в тепло. Поэтому
наличие деформированного состояния материала, внутри которого зарождаются
полосы сдвига является необходимым условием локализации. В настоящее время
накопилось достаточное количество экспериментальных фактов, которые противоречат
традиционной термопластической модели локализации деформации: наличие пор в
полосах сдвига [1], что свидетельствует об участии процесса растяжения при их
образовании; отсутствие экспериментального подтверждения процесса разупрочнения
[2], распространение адиабатических полос сдвига по недеформированному материалу
[3]. Измерение температуры в титановом сплаве, деформированном при высокой
скорости деформации, инфракрасным детектором (разрешение 45×45 мкм) обнаружило
незначительный рост температуры порядка 100 0С [4], а решение уравнения
теплопроводности для среды с источником размером, меньшим разрешающей
способности детектора, показало, что температура в 800 0С затухает в течение 1 нс.
Время затухания слишком короткое, чтобы значительно воздействовать на материал и
маловероятно, чтобы могло вызвать заметное разупрочнение.
На сохраненных образцах после коллапса толстостенной трубы трещины и
полосы сдвига располагаются в сильно деформированном материале. Однако
рассмотрение процесса коллапса с позиций волновой механики [5] показывает, что
деформированное состояние в материале формируется на стадии прохождения ударной
волны, а поврежденность - на стадии разгрузки, при выходе ударной волны на
свободную внутреннюю поверхность. Оба процесса деформирование и
повреждаемость разъединены по времени, и являются независимыми друг от друга.
При распространении к центру ударная волна теряет устойчивость, на ней возникают
выступы, (волнистый рельеф внутренней поверхности подтверждает неоднородную
форму ударной волны). При выходе возмущенной
ударной волны на свободную поверхность внутренней
полости
выступы становятся источниками волн
разгрузки, и интерференция соседних волн разгрузки
создает откольную трещине между выступами. По мере
углубления трещины внутрь материала падает
интенсивность растяжения в зоне интерференции, и
когда отрицательные давления становятся по величине
меньше динамической прочности материала, трещина
перерождается в адиабатическую полосу сдвига. Отсюда следует вывод: в условиях
динамического нагружения полоса сдвига является результатом интерференции
волн разгрузки, где растягивающие напряжения не достигают откольной
прочности материала.
В данной работе изучались структурные особенности перерождения откольных
трещин в полосы локализованной деформации в медных образцах. Рисунок 1
показывает, что такой переход сопровождается образованием системы пор,
соединенных тонкими полосами сдвига. Такой характер трансформации является
общим и наблюдается как для плоских откольных трещин, так для цилиндрических
(продольных), и для радиальных. Характерной особенностью является фрагментация
материала, продукты разрушения можно наблюдать для полос сдвига, толщиной менее
5 мкм, как правило они имеют угловатую форму.
Изучение боковых поверхностей пор обнаруживает
слоистую структуру, расстояние между слоями в
продольной трещине вблизи контактной поверхности
менее одного мкм (рис. 2). По мере удаления от места
удара, характер слоистости меняется, расстояние между
слоями становится порядка 40-60 мкм, и внутри
появляются микропоры. На боковых поверхностях
наблюдается масса следов микродефектов, которые
возникают на начальной стадии разрушения и растут в
процессе растяжения. Тот факт, что в области
микродефектов располагается большое количество
дислокаций (рис. 3), предполагает, что микродефекты
зарождаются на дислокациях, которые возникают на
фронте ударной волны. Следует отметить, что не все
слои в порах участвуют в образовании магистральной
трещины. В этом их отличие от откольной трещины.
Рисунок 4 демонстрирует пору, у которой несколько
нижних слоев, сильно деформированных, не смогли
образовать свободные поверхности. В результате
сильного
растяжения
в
отдельных
участках
поверхностного слоя образуются частички с размером
меньше одного микрона. Интересно, что они имеют
округлую форму. Обращает внимание, что практически
вся поверхность нижнего слоя покрыта мельчайшими
зернами, размером порядка 0.05 мкм и меньше, которые
являются
оксидами меди. Видимо,
повышение
температуры
при
окислении
способствует
приобретению округлой формы более крупных частиц.
Работа выполнена по программе фундаментальных
исследований РАН «Фундаментальные проблемы
механики
и
смежных
наук
в
изучении
многомасштабных процессов в природе и технике».
Авторы благодарят Лаврова В.В. и Савченко А.В. за
проведение экспериментов.
Литература:
1)Grebe H.A., Pak H.R., Meyer M.A. // Metallurgical Transaction. 1985. 16.A. pp. 761-775.
2) Wittman C.L., Meyers M.A., Pak H.-r // Metallurgical Transaction A. 1990. Vol.21.A.
pp.707–716. 3) Stock T.A.C., Thompson K.R.L. // Metallurgical Transactions. 1970. Vol.1.
pp. 219-224. 4) Osovski S., Rittel D. // Int. J. Fracture. 2010. (162). pp. 177-185. 5) Беликова
А.Ф., Буравова С.Н., Гордополов Ю.А. // ЖТФ. 2013. Т.83. вып.2. С. 153-156.