2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................4
Цель и задачи исследования........................................9
1. МЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ И ЗАЛЕЧИВАНИЯ ТРЕЩИН В МАТЕРИАЛАХ.......................................................10
1.1. Разрушение кристаллических материалов.....................11
1.2. Влияние электромагнитных полей на прочность и разрушение металлов.........................................................15
1.3. Залечивание микро - и макродефектов в материалах..........22
1.3.1. Влияние давления на процессы залечивания дефектов 22
1.3.2. Влияние температуры на процессы залечивания
дефектов..................................................28
1.3.3. Влияние электромагнитных полей на процессы залечивания дефектов......................................34
2. РАЗРУШЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ С ДЕФЕКТАМИ И ИХ ЗАЛЕЧИВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ..................................37
2.1. Разрушение плоских проводников с током, ослабленных отверстием.......................................................37
2.1.1. Физическая модель разрушения.......................38
2.1.2. Экспериментальные исследования.....................40
2.2. Разрушение плоских проводников с током, ослабленных трещиной.........................................................43
2.2.1. Пондеромоторный механизм разрушения................43
2.2.2. Термомеханический механизм разрушения..............47
2.2.3. Экспериментальные исследования механизмов разрушения................................................52
2.3. Пондеромоторный механизм схлопывания трещин в проводниках......................................................56
2.3.1. Залечивание центральной трещины....................56
2.3.2. Залечивание краевой трещины........................59
з
3. РАЗРУШЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ С ТРЕЩИНАМИ И ИХ ЗАЛЕЧИВАНИЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.....................................64
3.1. Разрушение................................................64
3.1 Л. Механизм разрушения проводника с трещиной во
внешнем магнитном поле, направленном попутно току...........65
ЗЛ .2. Механизм разрушения проводника с трещиной во
внешнем магнитном поле, направленным ортогонально току 72
3.2. Залечивание трещины в проводнике с током во внешнем магнитном поле...................................................76
3.2.1. Механизм залечивания.................................77
3.2.2. Экспериментальные исследования процесса залечивания 81
4. ЭЛЕКТРОН! Ю-ОПТИЧЕСКИЙ МУАР В ИССЛЕДОВАІІИИ ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ РАЗРУШЕНИЯ И ЗАЛЕЧИВАНИЯ......................88
4.1. Магнитное поле около отверстия в проводнике с током.......89
4.1.1. Методика проведения опытов...........................89
4.1.2. Анализ муаровых картин от магнитного поля около отверстия..............................................91
4.2. Магнитное поле около вершины трещины в плоском проводнике с током...............................................95
4.3. Компьютерная обработка электронно-оптических муаровых картин..........................................................104
4.3.1. Фильтрация изображений муаровых узоров..............105
4.4. Критерии дефектности пластин с током по электронно-оптическим муаровым узорам......................................108
4.4.1. Коэффициент искажения муаровых узоров...............110
4.4.2. Фрактальная размерность муаровых узоров.............112
4.4.3. Фрактальный структурогенез электронно-оптического
муара......................................................113
5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.......................................117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................120
4
ВВЕДЕНИЕ
Изготовление и эксплуатация проводников сопровождается появлением повреждений, снижающими конструктивную прочность и надежность. С физической точки зрения они представляют различные сочетания макро и микродефектов кристаллического строения металлов. Если роль макро дефектов, как правило, отрицательна, то роль микродефектов двойственна: они могут как упрочнять металлы, так и создавать потенциальные очаги разрушения.
Среди вопросов и проблем, связанных с прочностью материалов, разрушение занимает особое место. Виды разрушения многообразны, а последствия этого процесса, зачастую, катастрофичны. Процесс разрушения может быть описан как результат зарождения и последующего роста трещины. Началу разрушения предшествует пластическая деформация, а ее появление указывает на один из важных факторов внутреннего ресурса прочности материала. Наличие пластической деформации даже при хрупком разрушении обнаруживается в малой зоне непосредственно в вершине трещины, размеры которой находятся в хорошем соответствии с коэффициентом интенсивности напряжений, характеризующем вязкость разрушения. С другой стороны при испытаниях материала на трещиностойкость необходимо наличие хрупкой трещины, зарождение которой связано с некоторыми энергетическими затратами на преодоление пластичности. Поэтому решение задач механической надежности работы проводников связано с изучением:
-механизмов разрушения, упрочнения и залечивания имеющихся в них дефектов;
-влияния внешних энергетических воздействий, способствующих продвижению или залечиванию трещин.
В зависимости от геометрии и размеров дефекты являются источниками локальной концентрации напряжений, поэтому реальная прочность материала определяется локальными максимальными напряжениями и в разных
5
местах они не одинаковы из-за случайного расположения дефектов в металлическом массиве.
Широкое использование электромагнитных полей в физических устройствах и установках современного оборудования, а также в электротехнических процессах требует учета важного фактора, присутствующего при эксплуатации материалов-взаимодействия полей с дефектами структуры.
Наличие дефектов может быть обнаружено путем пропускания по проводнику тока, который в зависимости от амплитуды, длительности и направления относительно дефекта увеличивает, сохраняет или уменьшает его размер.
Трещины из всех дефектов проявляют повышенную активность в электромагнитном поле, концентрируя его на своих берегах и вершинах. Зародышевые очаги разрушения способны даже при малых концентрациях полей вызывать необратимые процессы, связанные с нарушением сплошности материала.
Механизмы разрушения довольно разнообразны, но все они в конечном итоге сводятся к основным типам зарождения трещин: трещина нормального отрыва, трещина продольного и поперечного сдвигов. Разнообразие в сочетании всех видов деформаций можно получить в особо ориентированных электрических и магнитных полях. Поля, концентрируясь на дефектах, создают благоприятные условия как для активизации роста трещин при зарождении разрушения, так и для их торможения, схлопывания и залечивания. При этом материал реанимируется с частичным или полным восстановлением сплошности. Поэтому изучение процессов зарождения и развития разрушения, также как и торможение и залечивание трещин в материалах, является актуальной задачей.
В настоящей работе предлагается несколько путей ее решения. В них используются эффекты усиления электромагнитных полей на дефектах в проводниках и их взаимодействие с внешним магнитным полем заданной ориентации. В результате взаимодействия возникают механические напря-
6
жения электромагнитного происхождения, которые создают локальные участки как разрушения, так и залечивания трещин.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
• Показано, что при определенных параметрах электрического тока дефекты в виде отверстия, центральной и краевой трещин в проводнике являются причиной его локального разрушения по пондеромоторному или термомеханическому механизмам.
• Предложены механизмы разрушения и залечивания трещин в проводниках и найдены критические значения тока, при которых происходит расклинивание или схлопывание трещины.
• Впервые установлены механизмы разрушения дефектного проводника с током, находящегося во внешнем магнитном поле. Аналитически и экспериментально установлены параметры магнитного поля и тока, при которых происходит разрушение проводников.
• Показано, что внешнее магнитное поле, направленное встречно магнитному полю тока в вершине трещины, вызывает ее залечивание. Предложен механизм залечивания, найдены и экспериментально подтверждены значения магнитного поля и тока, при которых происходит восстановление сплошности материалов.
• Аналитически и экспериментально показано, что с помощью картин электронно-оптического муара по степени их искажения и изменению фрактальной размерности можно судить о наличии дефекта и его геометрических размерах.
На защиту выносятся следующие положения:
• Аналитические и экспериментальные результаты исследования электромагнитной ситуации вокруг дефектов различной геометрии в плоских проводниках с электрическим током.
• Механизмы разрушения и залечивания трещин в проводниках с электрическим током при различных его направлениях по отношению к
7
дефектам и аналитическая оценка параметров тока, необходимого для осуществления этих процессов.
• Механизмы разрушения и залечивания трещин в плоских проводниках с током, находящихся во внешнем магнитном поле различной ориентации и напряженности, в которых критерием разрушения считаются механические напряжения от пондеромоторных сил, достигающие предела текучести материала, а критерием залечивания - наличие расплавленного в вершине трещины металла, по объему достаточного для заполнения расплавом полости трещины при ламинарном его движении, обусловленным наложением внешнего магнитного поля.
• Экспериментальные результаты исследования структуры и механических свойств металлических проводников с залеченной трещиной.
• Экспериментальные результаты исследования протяженности зон разрушения и залечивания трещин в плоских проводниках с током, полученные при использовании электронно-оптического муара. Критерии оценки размеров дефектов, использующие степень искажения муаровых картин и их фрактальную размерность.
Практическая значимость.
Экспериментально показано, что процессы разрушения можно предотвратить, если локальные участки нагружать попутными вдоль берегов трещины токами или внешними полями определенной ориентации, частично или полностью восстанавливая сплошность проводника в зоне разрушения.
Зарождение трещин в проводниках с током, находящимся во внешнем магнитном поле, можно использовать при механических испытаниях на вязкость разрушения.
Кроме того, результаты работы могут быть использованы как дополнение к теории прочности и пластичности твердых тел.
Апробация. Результаты исследований докладывались на II Международной школе «Физическое металловедение», XVIII Уральской школе «Актуальные проблемы физического материаловедения» Тольятти, 2006 год, на
8
XVI и XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург', 2006, 2007 годы, на XI Державинских чтениях ИМФИ ТГУ им. Державина, Тамбов, 2006 год, на Международной школе - конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов, 2007 год, на III Международном форуме - конкурсе «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2007 год, на IV Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, МИСиС, 2008 год.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 статьях и 7 тезисах докладов [187, 195-198, 202, 220-224, 230, 232-236], получено положительное решение о выдаче патента [237].
Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (фант Лг2 05-01-00759).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и списка цитируемой литературы, из 237 наименований, содержит 143 страницы текста, 56 рисунков.
Личный вклад автора: В опубликованных работах в соавторстве автору принадлежат планирование и проведение экспериментов, обсуждение результатов и написание статей.
9
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является аналитическое и экспериментальное исследование процессов разрушения и залечивания трещин в проводящих материалах с электрическим током, находящихся в магнитных полях.
В связи с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
1. Аналитически и экспериментально исследовать роль дефектов в проводящих материалах и степени концентрации на них электромагнитной энергии для установления её критического значения, приводящего к разрушению проводников.
2. Установить механизмы разрушения и залечивания трещин в проводниках с электрическим током и установить связь плотности тока с известными критериями разрушения: пределом текучести материала и критическим коэффициентом интенсивности напряжений.
3. Установить механизмы влияния внешнего магнитного поля различных направлений на процессы разрушения и залечивания трещин в проводниках с током.
4. Экспериментально исследовать очаги разрушения и залечивания трещин в проводниках методом электронно-оптического муара, установив при этом по изменению муаровых картин геометрические характеристики дефектов и напряженность магнитного поля в вершине трещины.
5. Оценить качество восстановления сплошности материалов, используя металлографические исследования и механические испытания образцов с залеченной трещиной.
10
1. МЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ И ЗАЛЕЧИВАНИЯ ТРЕЩИН В
МАТЕРИАЛАХ
Реальная прочность твердых тел связана с разнообразными условиями нагружения, вносимыми в объект силовыми полями различной физической природы, их интенсивностью, временем действия и сопротивляемостью самого материала разрушению, первая стадия которого определяется его способностью к зарождению и распространению трещин. Наличие трещин, как и других дефектов в материалах, облегчает процессы разрушения с точки зрения уменьшения энергетических затрат на их развитие.
Общепринятая теория прочности и разрушения с позиций хорошо изученной теории дислокаций содержит достаточно большое количество микромеханизмов разрушения, которые экспериментально подтверждаются способами зарождения трещин и их развитием совместно с механикой разрушения [1-3]. Тем не менее, работа каждого из механизмов, их совместное действие в возникающих очагах разрушения, является причиной возникновения критического напряженного состояния вокруг дефектов. Более того, многообразие геометрических форм дефектов при широте внешних нагрузок может порождать новые механизмы разрушения в сочетании с уже известными.
Широко изученные механические свойства материалов, их структура, сопротивление разрушению, влияние внешних факторов на зарождение трещин и их распространение [4-8] позволяет обсудить некоторые аспекты в развитии прочности материалов, зарождения и управления процессами разрушения, а также залечивания дефектов различной геометрии внешними силовыми, температурными и электромагнитными полями.
11
1.1. Разрушение кристаллических материалов
Разрушение - это процесс ослабления и разрыва межатомных связей. В общем случае, по мнению В.И. Владимирова [9], процесс разрушения можно представить состоящим из четырех основных стадий: ослабления связей, хаотического разрыва связей, корреляционного разрыва связей, разрыва тела.
В основе современных представлений о теории разрушения лежит концепция Степанова о взаимосвязи процессов разрушения и пластической деформации [10]. Пластическая деформация рассматривается как необходимый подготовительный этап процесса разрушения и развивается до определенного предела. После достижения критической для данного материала и данных условий деформации наступает разрушение образца [11].
Разрушение кристаллических тел, как правило, происходит по плоскостям спайности. Эти плоскости характеризуются минимальным сцеплением друг с другом в направлении, перпендикулярном плоскости [12].
Поскольку разрушение происходит по плоскостям спайности, то для разрыва различно ориентированных образцов требуется приложить различное усилие, которое определяется законом критического нормального напряжения. Согласно этому закону, разрыв в кристалле происходит тогда, когда достигнуто критическое нормальное напряжение в направлении, перпендикулярном плоскости спайности.
Критическое нормальное напряжение не является константой материала, а зависит от условий опыта, температуры, скорости деформации, вида нагружения и т.д. [13, 14].
Важнейшую роль в процессе разрушения играет пластическая деформация, т.к. в природе не существует абсолютно хрупких материалов. Пластическая деформация может не только сопровождать разрушение, но и развиваться в окружающих трещину участках, и может стать причиной зарождения трещин, если деформация протекает неоднородно.
12
При определенных условиях в кристалле могут наблюдаться скопления дислокаций различной геометрии [15]. Взаимодействие дислокаций приводит к образованию микротрещины. Образовавшаяся микротрещина является источником последующего разрушения кристалла. К настоящему времени предложено довольно много дислокационных механизмов разрушения. Наиболее полно эти механизмы рассмотрены в работе Финкеля В.М. [1]. В последние годы большое значение придается отдельному изучению процессов зарождения распространения и залечивания трещин [16-19].
Первая физическая модель, объясняющая развитие трещин в материалах, принадлежит 1 'риф фитсу.
Согласно условию Гриффитса [20], в хрупких материалах рост трещины энергетически выгоден, если
Ь>Ьп,=а(уЕ/а2), (1.1)
где Ь - размер трещины, Ьгр - критический гриффитсовский размер трещины, а -1 - коэффициент, зависящий от формы трещины и ее положения в теле, у - удельная поверхностная энергия, Е - модуль Юнга, а - механическое напряжение. При 11>11Р рост трещины энергетически выгоден, при Ь< Ь)р - выгодно ее захлопывание [21].
Это справедливо для трещин с очень острой вершиной, находящихся в хрупких телах. Пластическая деформация, протекающая под действием локальных напряжений, снижает напряжения около самого концентратора и увеличивает их в его окрестностях [22].
Если у вершины трещины размером 1т радиус кривизны то
в шах ~ в тсор ^1а ^ (1.2)
где а - межатомное расстояние. Следовательно, только при \ ~ а напряжения в вершине гриффитсовской трещины достигают порядка предельных. Подход Гриффитса не дает никаких указаний о возможных механизмах её роста [23,24]. Единственная возможность роста трещины в этих условиях -действие локальной тепловой флуктуации [25, 26].
- Київ+380960830922