Информация о докладе

Особенности морфологии трещин в материалах, разрушающихся внутризеренным сколом
П.Е. Панфилов, Уральский федеральный университет, Екатеринбург

В основу современной науки о прочности положено соотношение между вкладами деформации и разрушения. Трещины интересны для физического материаловедения и механики деформируемого твердого тела, как объекты для изучения данного соотношения на масштабных уровнях от нано- до мега-. Считается, что особенности деформационного поведения материала на макроскопическом масштабе определяют морфологию трещин и морфологию поверхностей изломов. И, наоборот, геометрия и внешний вид трещин в материале связаны с типом его деформационного поведения. Как правило, разрушение транскристаллитным сколом происходит в твердых телах с ковалентным типом химической связи, неспособных к заметной пластической деформации. Такие материалы считаются хрупкими и в них не должно происходить торможения роста трещин. Однако в массивах горных пород – неорганических материалах природного происхождения, трещины могут существовать в течение длительного времени, несмотря на действие значительных нагрузок и влияние окружающей среды.
В докладе обсуждается деформационное поведение модельных горных пород (магматических, осадочных, метаморфических и минералов биологического генезиса: гранита, серпентинита, сиенита, песчаника, антрацита, яшмы, эмали зубов человека и скорлупы птичьих яиц) на макроскопическом масштабе и морфология трещин, возникающих в лабораторных образцах модельных материалов под действием сжимающих и растягивающих нагрузок, что является важным источником информации о поведении материала на микроскопическом масштабе. Подтверждено, что под действием растягивающих нагрузок модельные породы демонстрируют хрупкое поведение на макроуровне (инженерные кривые аппроксимируются прямой линией при деформации до разрушения менее 1%), а на их изломах основным морфологическим элементом оказывается хрупкое внутризеренное разрушение. В случае преобладания сжимающих нагрузок, в поведении образцов прослеживаются, как черты хрупкого (инженерные кривые аппроксимируются прямой линией), так и вязкого поведения (деформация до начала разрушения образца находится в пределах 5-10%). При этом рост трещин в образцах модельных материалов оказывается надежно подавленным: образцы не распадаются на части после остановки траверсы разрывной машине; их можно размещать на предметном столике микроскопа для документирования, не опасаясь, что они распадутся на части; а трещины в скорлупе птичьих яиц вообще удается подрастить, увеличивая стрелу прогиба. Для аттестации типа морфологии трещин в горных породах выбрали трещины в таком хрупком ковалентном кристалле, как кремний. Также для сравнения взяли трещины, растущие в шейке плоского образца поликристаллического алюминия на разных масштабах (оптический микроскоп и просвечивающий электронный микроскоп). Показано, что рост опасных трещин в модельных материалах происходит за счет слияния с порообразными трещинами, возникающими перед вершиной основной, из-за чего она приобретала ломаный профиль. Изучение трещин в тонких, прозрачных для света образцах, показало, что порообразные трещины развиваются в узкой полоске перед вершиной основной трещины, в которой материал оказывается тоньше, чем вдали от нее. То есть развитие трещин в модельных горных породах было подобным росту трещин в шейке пластичных металлов, и, следовательно, их деформационное поведение на микроскопическом масштабе демонстрирует общие черты с вязким разрушением.
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 23-29-00253).

Докладчики

• П.Е. Панфилов, д.ф-м.н., профессор кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем Института естественных наук Уральского федерального университета (Екатеринбург)