» » Кинетика разрушения и измерение напряжений
24.12.2014

Ниже приводятся результаты экспериментов с материалами типа органического стекла (полиметилметакрилат, полистирол). Опыты свидетельствуют о возникновении очагов высокой температуры и давления в виде газовых пузырьков, расширение которых приводит к расклиниванию материала и образованию трещин.
Типичные высокоскоростные фотографии процесса разрушения в образце полистирола приведены. На них видно, что к моменту времени 30 мксек от начала генерации в области фокуса возникли две светящиеся точки — очаги высокой температуры. Торцы образца были вне кадра. Свечение фотографировалось через боковую поверхность образца под углом 90° к направлению луча.
Одна из двух светящихся точек на этом кадре совпадает с местоположением фокусной точки. К моменту времени 60 мксек эти две светящиеся точки уже дали начало зарождению трещины (по форме напоминающей наконечник копья). К этому же моменту времени чуть сзади фокуса (ближе к линзе) образовались три новые светящиеся точки. На последующих кадрах видно, как на этом месте разрастается темная полость — трещины. Разрушения нарастают навстречу лучу, направление показано стрелкой. Линейные размеры трещин перестают расти через время 300 мксек (длительность импульса — 800 мксек). На последнем кадре показан снимок окончательного разрушения.
В том, что трещины расклиниваются нагретым газом, убеждает нас следующая серия фотографий. В этом опыте точка фокуса и условия съемки были выбраны таким образом, чтобы трещина в процессе роста вышла на фотографируемую боковую поверхность образца (момент 120 мксек после начала генерации). Видно, как через образовавшееся отверстие ударил фонтан газа.
Истечение газа (легкий дымок) можно было наблюдать невооруженным глазом. Кроме того, при выходе трещины на поверхность газ, как правило, опаляет окружающую часть поверхности образца, что тоже хорошо видно. Начальная скорость газового облака, оцененная по фотографиям, равна 250 м/сек, спустя 80 мксек облако расширяется со скоростью 80 м/сек. Начальная скорость роста трещины, оцененная по фотографиям, равна 65 м/сек. Скорость падает до малой величины к 150 мксек.
В ряде случаев трещины имеют волнообразную поверхность, которая указывает на то, что они распространяются скачками. Такая волнообразная поверхность разрушения получается и искусственно при медленном вдвигании клина за счет неустойчивости стационарного распространения трещин и возникновения автоколебаний.
Механизм разрушения представляется следующим образом: вначале вследствие нагревания, и возможно, действия гиперзвука, в области светового канала возникают динамические напряжения. В плоскостях наибольшего касательного напряжения, наклоненных под углом 45° к оси возмущения, т. е. оси луча, образуются мельчайшие сдвиговые дефекты.
Далее, в имеющихся неоднородностях происходит поглощение света, материал испаряется, частично сгорает, и это ведет к образованию газовых пузырьков с высоким давлением и температурой. Под действием давления газа вблизи пузырьков создаются большие напряжения и начинается развитие трещин, которое идет в основном за счет расклинивания газом ранее образовавшихся сдвиговых дефектов.
В ходе расширения трещины горячий газ обугливает его стенки, что способствует дальнейшему поглощению света и дополнительному нагреву газа. Вследствие поглощения, а также отражения света на образовавшихся трещинах происходит экранирование других трещин, расположенных ближе к фокусу: последние всегда имеют меньшие размеры.
Предполагая, что при распространении трещины давление газа в основной части поверхности трещины постоянно и резко уменьшается за счет вязкости лишь в узкой зоне резкого сужения трещины вблизи ее края, получим для радиуса трещины выражение R= (К2/2 р2), где р — текущее давление газа, K=[πЕγ/(1—v)2]1/2≈3*10в6 дин/см3,2 — модуль сцепления; у — поверхностное натяжение материала; Е≈(2/3)*10в10 дин/см2 — модуль Юнга; v≈0,3 — коэффициент Пуассона. Текущий объем трещины v приближенно равен v≈0,6 K6IEp5. Исключая отсюда р, можно связать между собой важные параметры трещины v и R, v=(3,4 KR5/2/E).
Изложенные соображения о механизме развития трещин подтверждаются результатами изучения разрушений в нагретых образцах. При возрастании температуры резко возрастает вязкость, и материал теряет хрупкость. Расклинивания материала при этом не происходит, а наблюдается раздувание газовых пузырей.