Лекция 9. Развитие трещин в кристаллах.

2014
Панфилов Пётр Евгеньевич
ФИЗИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА НАНОМАТЕРИАЛОВ
http://ums.physics.usu.ru/pmn
ЛЕКЦИЯ 9
Развитие трещин в
кристаллах
(2 ЧАСА)
1
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Масштабные уровни процесса
разрушения
2
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Появление трещины – образование
свободной поверхности в «сплошном» твердом теле –
элементарный акт процесса разрушения
Механика трещин – изучает условия
стабильности трещины (потеря стабильности и
распространение).
Материаловедческий подход – исследование
механизмов появления и эволюции трещин, связь
со структурой твердого тела.
3
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Масштабы на которых удается
наблюдать трещины в кристаллах
1 атомный масштаб (единицы межатомных расстояний) - нет
2 нано-уровень (десятки-сотни межатомных расстояний) - да
3 микро-уровень (сотни-тысячи межатомных расстояний) - да
4 мезо-уровень (десятки тысяч межатомных расстояний) 5 макро-уровень (кристалл как сплошная среда) -
да
да
4
Развитие трещин в кристаллах
http://ums.physics.usu.ru/pmn
2014
Методы изучения трещин
1 атомный масштаб - молекулярная
динамика
ТЕМ
3 микро-уровень - ТЕМ, SEM
4 мезо-уровень - ТЕМ, SEM, ОМ
5 макро-уровень - SEM, ОМ, «на глаз»
2 нано-уровень -
ТЕМ – электронная микроскопия на просвет,
SEM – электронная микроскопия на отражение,
ОМ – оптическая микроскопия
5
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Молекулярно-динамическое
моделирование (MDM) развития трещин
(атомный масштаб)
MDM показывает как испускание дислокации приводит к изменению
геометрии вершины трещины (Mullins M. Acta Metall.- 1984 32 381)
6
Развитие трещин в кристаллах
http://ums.physics.usu.ru/pmn
2014
Микротрещины в фольгах металлов
Микротрещина
атомного
масштаба в
иридиевой фольге
(длина ~ 0,01 мкм
или несколько
десятков
межатомных
расстояний).
Форма микротрещин - клиновидная
Микротрещина
(длина ~ 0,1 мкм)
от которой
отходит
микродвойник,
внутри которого
видна
дислокация
7
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Микротрещины в фольгах металлов
Микротрещина в иридиевой фольге, испускающая дислокации
Форма микротрещин - клиновидная
8
Развитие трещин в кристаллах
http://ums.physics.usu.ru/pmn
2014
Микротрещин в фольгах металлов
Микротрещина в тонкой фольге меди, испускающая из вершины полные
дислокации (Ohr S.M. Scripta Metall. -1987 21 1681)
Микротрещина в
никелевой фольге,
движущаяся вдоль
двойника и испускающая
полные дислокации
Robertson I.M., Birnbaum
H.K. Acta Metall.-1986 34
353
Форма микротрещин - клиновидная
9
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Переход от микротрещины к
опасной трещине
Трещина зигзагообразной формы, возникшая при растяжении иридиевой
фольги в колонне просвечивающего электронного микроскопа 10
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Опасные трещины в фольгах
металлов
Опасная трещина, возникшая при растяжении фольги из монокристалла Ag
(Lyles R.L., Wilsdorf H.GG.R. Acta Metall. -1975 23 269)
Опасная трещина в никелевой фольге,
растягиваемой в колонне микроскопа (Robertson
I.M., Birnbaum H.K. Acta Metall.-1986 34 353)
Края как «Dragon tooth)
11
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Наблюдение роста трещин в фольгах
металлов в колонне ТЕМ
: http://www.smartplanet.com/video/metallic-glass-the-strongest-toughestmaterial-yet/6196423
12
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трещины в фольгах неметаллических
кристаллов
Вершина трещины в фольге кремния при
комнатной температуре (Lawn B. R., Hockey B.J.,
Wiederhorn S.M. J. Mater. Sci.- 1980 15 1207)
Дислокации около трещины в
фольге MgO (Dewald D.K., Lee
T.C., Robertson I.M., Birnbaum
H.K. Scripta Metall.-1989 23 1307)
13
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Испускание дислокаций из трещины в
фольгах ковалентных кристаллов
Формирование скопления
испущенных дислокаций
вблизи вершины
трещины в фольге Si при t
> ВХП (Higashida K.,
Narita N., Tanaka M.,
Morikawa T., Miura Y.,
Onodera R. Phil. Mag.2002 82 3263)
14
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трещины в ковалентных кристаллах
Трещины, возникшие при внедрении алмазной пирамидки в монокристалл кремния при 20С
15
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трещины в кристаллах Gd2(MoO4)3
Трещины, возникшие при внедрении алмазной пирамидки в монокристалл при 20С
16
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Надрезы в монокристалле алюминия
ε = 4%
ε = 10%
Эволюция надрезов в монокристалле алюминия при растяжении при 20С
Форма надрезов - клиновидная
17
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Вязкое разрушение. Развитие шейки.
Разрушение за счет слияния
(коалесценции) микропор
Разрушение за счет слияния
(коалесценции) крупных пор
18
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Развитие опасной трещины в шейке
Крупная пора возникает в
центре шейки
Слияние микропор в меди
19
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Фрактография вязкого разрушения
Морфология поверхности излома – чашечный излом на разных масштабах
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Вязкое разрушение в палладии
Морфология поверхности излома – чашечный излом
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Вязкое разрушение в платине
Морфология поверхности излома
плоского образца платины
Утонение в линию
Разрушение платины при ползучести
Боковая поверхность
Поверхность излома
Морфология поверхности излома плоского
образца платины при ползучести
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Разрушение ДУ платины при ползучести
Мода разрушения – межзеренное
разрушение при ползучести
Упрочнение платины оксидными
частицами может привести к смене моды
разрушения при ползучести
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трещины в покрытом галлием
монокристалле алюминия
Подрастание трещины, возникшей в вершине надреза, в галлированном
монокристалле алюминия
Форма трещин - клиновидная
25
Развитие трещин в кристаллах
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трансформация трещины в пору в
охрупченном галлием монокристалле
алюминия
2014
Влияние пластической деформации (октаэдрического скольжения) на геометрию
трещины в галлированном монокристалле алюминия
Форма трещины – клиновидная; поры - линзообразная
26
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Механизм роста опасной трещины в
охрупченном галлием монокристалле
алюминия
Опасная трещина в галлированном монокристалле алюминия состоит из
соединившихся друг с другом пор
Опасная трещина обладает ломаным профилем
27
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трещины в монокристаллах иридия
Начальные этап развития: трансформация от хрупкой трещины к надрезу
Форма трещин - клиновидная
28
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трещины в монокристаллах иридия
Переход от надреза к хрупкой трещине
Форма трещин - клиновидная
29
Развитие трещин в кристаллах
Опасные трещины
в
высокопластичных
монокристаллах
иридия
Форма трещин клиновидная
30
Растяжение
Изгиб
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Разрушение сколом в чистом металле
Разрушение сколом в
монокристалле иридия
Разрушение сколом в
поликристаллическом иридии
31
Развитие трещин в кристаллах
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Трещины в дентине зуба человека
2014
Вершина трещины в дентине: а – оптический микроскоп, режим
"на просвет" (х500); б – просвечивающий электронный
микроскоп (х7000);в – просвечивающий электронный микроскоп
(х100 000).
Трещина в тонкой фольге
алюминия, растянутой в
колонне ПЭМ.
32
Развитие трещин в кристаллах
2014
http://ums.physics.usu.ru/pmn
Литература:
1. Екобори Т., «Физика и механика разрушения и прочности твердых
тел», М: Металлургия, 1971, 264 с.,
2. Миллер К. Ползучесть и разрушение // М.: Металлургия, 1986.
3. Нотт Дж., «Основы механики разрушения», М: Металлургия, 1978,
256 с.,
4. Ростокер У., Мак-Коги Дж., Маркус Г., «Хрупкость под действием
жидких металов», М: Издательство иностранной литературы, 1962,
192 с.,
5. Камдар М.Х., Жидкометаллическое охрупчивание.// В кн.:
Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов (под ред. К.Л.
Брайента и С.К. Бенерджи).- М.: Металлургия, 1988, с. 333 – 423,
6. Тимофеев Н.И., Ермаков А.В., Дмитриев В.А., Панфилов П.Е.,
“Основы металлургии и технологии производства изделий из
иридия", Екатеринбург: УрО РАН, 1996, 119 с.,
33