Вязкость разрушения керамических материалов

Трещиностойкость материалов

Контроль вязкости разрушения (критического коэффициента интенсивности напряжений) хрупких материалов (стекло, керамика и др.) представляет собой актуальную задачу, поскольку одним из недостатков, сдерживающих широкое использование керамики в технике, является ее относительно низкая вязкость разрушения.

Понятие «трещиностойкость» включает в себя характеристики сопротивления материалов разрушению. Трещиностойкость материала, т. е. его способность работать в конструкции с трещиной, определяется рядом характеристик сопротивления разрушению, среди них параметр К.

Согласно [35], развитие трещины обусловлено силовым критерием разрушения К [МПа^хм'²]:

где S — приложенное извне напряжение, с — 'А длины трещины.

Он связан с энергетическим критерием:

где G — параметр, характеризующий работу, которую надо затратить на образование новой поверхности трещины единичной длины или переместить фронт трещины единичной длины на единичное расстояние; Е — модуль Юнга.

Параметр К называется коэффициентом интенсивности напряжения. Он характеризует локальное повышение уровня растягивающих напряжений у вершины трещины [35].

Рассматривают коэффициенты интенсивности напряжений, соответствующие трещине нормального отрыва К/, поперечного Кц и продольного К/,/ сдвига (рис. 4.1) [64]. Эти коэффициенты характеризуют различный тип смещения поверхностей трещины друг относительно друга.

Рис. 4.1. Схемы возможных перемещений поверхностей трещины [64]

Раскрытие трещины под действием растягивающих напряжений является наиболее практически важным и определяется коэффициентом К/.

Теоретической базой испытаний на вязкость разрушения является линейная механика разрушения, анализирующая распределение напряжений у переднего края трещины. Наибольшее развитие получили испытания для определения коэффициента интенсивности напряжений при плоской деформации К_/с. Эта характеристика стала важнейшим количественным критерием разрушения высокопрочных металлических материалов. Принципиальным преимуществом К_и по сравнению с другими характеристиками предельной прочности является то, что вязкость разрушения учитывает и длину трещины. Любой критерий разрушения, выраженный через напряжение, предполагает, что разрушение происходит мгновенно по достижении этого напряжения. На самом деле всякое разрушение — это результат развития трещины, и поэтому характеристика предельной способности к торможению разрушения должна включать не только напряжение, но и длину трещины. Величина К_и. характеризует условия перехода трещины из состояния покоя в состояние перемещения.

На базе линейной механики разрушения предложен помимо К/_с ряд других критериев. Это коэффициент вязкости разрушения К_с, применяемый в условиях плоского напряженного состояния для листовых материал [35].

Еще одна характеристика сопротивления разрушению для случая, когда разрушение сопровождается значительной пластической деформацией, — это J-интеграл, определяющий интенсивность потока энергии в вершину трещины в момент начала ее роста.

Несмотря на всю полезность использования критерия К_/с на стадии разработки материалов, существует ряд проблем, которые необходимо учитывать. Реально разрушение керамического материала начинается при нагрузках, меньших, чем нагрузки, соответствующие величине K_tc

Имеются два класса проблем, связанных с таким «докритическим» разрушением. Первая проблема — это разрушение, обусловленное докритическим подрастанием трещины при активном нагружении в интервале от некоторого стартового значения К₁₀ до критического К_/с. В рамках этой проблемы рассматривается «атермическое» подрастание трещины, обусловленное лишь изменением коэффициента интенсивности напряжений. Такие процессы и механизмы их реализации установлены для широкого круга керамических материалов, начиная от однофазных корундовых и до многокомпонентных композитов. Макроскопически докритическое подрастание трещины проявляется в нелинейности деформирования образцов с исходными дефектами (надрезами, трещинами).

Второй круг проблем, связанных с докритическим разрушением, представляют собой эффекты «термически активируемого» распространения трещины при уровнях нагрузки, меньших, чем нагрузки, соответствующие значению К_/с. Кинетические законы распространения трещины при этом зависят не только от уровня интенсивности приложенных напряжений, но и от свойств окружающей среды. Последние определяют протекание различных физико-химических процессов в области вершины трещины (химические реакции, массоперенос и др.).

Часто тенденции изменения трещиностойкости и прочностных показателей в зависимости от структуры материалов не совпадают. Например, процессы микрорастрескивания могут привести к возрастанию Kic, но и к одновременному снижению прочности.

Величину Ki_c используют в качестве своего рода константы материала. Если известна К_/с, то, предположив или измерив длину трещины, можно оценить напряжение разрушения [35].

Разрушение твердых тел представляет довольно сложный процесс, который зависит от многих факторов. Прочность твердых тел определяется в первую очередь силами взаимодействия между атомами или ионами, составляющими тело, и строением кристаллов (типом кристаллической решетки). Анализируя силы взаимодействия, можно определить предел прочности материала, величину модуля упругости, энергию связи кристалла и коэффициент поверхностного натяжения. Разрушение твердого тела называют хрупким, если деформации тела упругие вплоть до его разрушения. В случае, когда разрушение сопровождается значительными пластическими деформациями во всем наиболее напряженном сечении тела (кинематическом сечении разрушения), разрушение называют вязким. Это два крайних вида разрушения твердых тел.

В промежутке между ними есть другие виды разрушения, которые определяются с позиций теории распространения трещин при упругопластической деформации твердого тела [65].

«Под вязкостью разрушения понимают сопротивление материала продвижению в нем трещины. Суть вопроса состоит в определении протяженности трещины, которой материал может сопротивляться при той или иной нагрузке. Каждому данному материалу, размеру образца, характеру приложенных напряжений отвечает свой критический размер трещины, отделяющий состояние стабильности от состояния се быстрого распространения. Чем выше вязкость материала, тем больше этот размер» [66].

Следствие хрупкости керамики состоит в том, что выдерживаемые ею сжимающие нагрузки существенно превосходят допустимые нагрузки на растяжение и сдвиг. Экспериментально установлено, что керамические материалы гораздо лучше выдерживает сжатие, чем сдвиг, т. е.

Фраст^сдв Это соотношение и сам факт хрупкого разрушения нашли хорошее объяснение на основе рассмотрения дефектов керамических материалов. Основным видом дефектов в керамических материалах являются примеси, одиночные вакансии и их колонии, т. е. вакансионные поры, а также микротрещины. Они ослабляют прочность межатомных связей, которые легко рвутся и поэтому пластическая деформация связей вокруг точечных дефектов затруднена. В результате на дефектах начинают развиваться трещины. Одной из основных характеристик керамики является трещиностойкость. Понимание роли дефектов в хрупком разрушении стимулировало поиск путей повышения прочности керамических материалов. Первый путь направлен на устранение таких дефектов, как поры, агломераты, химические примеси, которые являются источниками зарождения трещин. Для этого производят тщательную очистку и очень тонкий размол исходного порошка с последующей плотнейшей упаковкой при прессовании [66].

В работе [22] рассматриваются механизмы зарождения трещин в процессе деформации. Механизмы зарождения весьма разнообразны: слияние дислокаций перед барьером, слияние дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения, возникновение микротрещин на границах зерен и поверхностях раздела и др. Вероятность зарождения трещины у границ зерен зависит от степени разориентации зерен. Малоугловые границы с углами разориентации меньше 5° (например, в MgO) оказались прозрачными для полос скольжения; разориентация в 5−10° прозрачна только для винтовых дислокаций, а краевые дислокации в этом случае блокируется. Большеугловые границы служат источником образования интеркристаллитных трещин, т. е. трещин, проходящих по границам зерен.

«Значительное влияние на прочность и характер разрушения тела оказывают волновые процессы и инерционные силы, возникающие в теле при ударных или даже статических нагружениях. В последнем случае волновые процессы возникают в теле в закритической стадии его разрушения, когда скорость распространения трещины становится одного порядка величины со скоростью распространения упругих волн. При этом вследствие вскрытия полостей трещин и быстрой перестройки напряженного состояния возникают объемные и поверхностные колебания, которые, распространяясь в теле с различной скоростью и отражаясь от границ тела сложным образом, могут взаимодействовать между собой и с фронтом разрушения. Именно такого рода взаимодействия вызывают на поверхности излома, например, стекла или монокристаллов MgO появление регулярных борозд, так называемых линий Вальнера, характер и периодичность расположения которых зависят от скорости распространения трещин, частоты упругих колебаний, конфигурации фронта трещины и границ тела. Одновременно на рельеф поверхности излома влияют вид нагружения, начальное напряженное состояние и характер перераспределения в процессе разрушения поля напряжений» [22]. Поскольку керамика плохо поддается пластической деформации, то можно понять, почему она обладает хрупкими свойствами, когда разрушение происходит главным образом по плоскостям спайности [20].