» » Влияние внешних напряжений на разрушение прозрачных диэлектриков
24.12.2014

Как было указано выше, процесс объемного разрушения прозрачных диэлектриков при воздействии световых импульсов состоит из образования очага разрушения за счет поглощения энергии в непрозрачных областях. После этого образовавшиеся газовые очаги, поглощая энергию излучения, расклинивают материал, действуя одновременно с термическими напряжениями, и приводят к образованию остаточной системы трещин.
Рассмотрим влияние напряжений на ориентацию трещин. Обычно в прозрачных материалах (например, в полиметилметакрилате) возникает система дискообразных трещин, наклоненных к оси луча на угол, близкий к 45°. В процессе расклинивания давление газа почти постоянно по всей поверхности трещины и резко уменьшается только вблизи конца трещины. Разрывающие напряжения вблизи конца трещины на ее продолжении составляют σ-(N/√Δ), здесь Δ — расстояние от конца трещины до точки, где измеряются напряжения, N — коэффициент интенсивности напряжений, пропорциональный давлению газа в случае отсутствия внешних напряжений.
При наличии внешнего напряжения Pвн, которое считается однородным по пространству одноосным напряжением, величина N пропорциональна алгебраической сумме давления газа Pг и проекции внешнего напряжения на направление, перпендикулярное плоскости трещины. Если нормаль к плоскости трещины составляет угол с направлением приложенного напряжения, то
Влияние внешних напряжений на разрушение прозрачных диэлектриков

при этом растягивающее напряжение считается положительным. Отсюда, в частности, следует, что при наложении сжимающих напряжений N обращается в нуль и меняет знак при Pг=-Pвн cos φ, т. е. трещина при этих условиях не может расти в рассматриваемом направлении. Для достаточно больших трещин можно пренебречь влиянием сил сцепления, действующих в конце трещины. При достаточно больших сжимающих напряжениях трещины должны распространяться параллельно приложенному напряжению. При большом числе случайно расположенных в материале начальных дефектов развитие трещин должно идти в направлении, для которого максимальны разрывающие напряжения вблизи конца трещины (коэффициент интенсивности напряжений).
Экспериментальное исследование трещин проведено в образцах, облучаемых световыми импульсами лазера в режиме свободной генерации. Для растягиваемого образца показано, что при растяжении, когда максимальные растягивающие напряжения возникают в плоскости, перпендикулярной направлению растяжения, трещины ориентируются вблизи этих плоскостей. Изгиб образца вызывает изменение направления трещин от центра образца к его краям в связи с характерным для изгиба напряженным состоянием.
Зависимость ориентировки трещин от внешних нагрузок можно использовать для определения по порядку величины давления газов, расклинивающих трещину. Если трещины при некоторой величине сжимающего напряжения начинают распространяться так, что их поверхность становится цилиндрической, с образующими, параллельными направлению одноосного сжимающего напряжения, то это означает, что давление газа в трещине становится равным внешнему сжимающему напряжению. Этот вывод иллюстрируется опытами по приложению сжимающих напряжений перпендикулярно оси образца и растягивающих напряжений параллельно оси. В обоих случаях распространение трещин идет в одинаковом направлении и их плоскости ориентируются перпендикулярно к оси цилиндрических образцов. Сравнение с внешним давлением показывает, что давление газа в трещинах не превышает 100 кГ/см2.
Другим эффектом при нагружении облучаемых образцов является влияние изменений свойств полимеров с увеличением действующих нагрузок. В работе установлено, что блоки полиметилметакрилата имеют микроструктуру — домены, которые выявляются после облучения. Размеры доменов не превышают нескольких микрон. Под действием нагрузки происходит вытягивание доменов в направлении приложенных сил и предполагается, что при нагрузках, близких к разрушающим, образец приобретает изотропию свойств вследствие разделения доменов.
При облучении образцов увеличение сжимающей нагрузки приводит к ориентации плоскостей трещин, которые располагаются параллельно плоскости, приходящей через ось луча и направление сжатия. В случае небольших напряжений эту ориентацию приобретают только периферийные области больших дискообразных трещин, так как лишь в этом случае внешние нагрузки сравнимы с давлением газа внутри трещины.
С ростом давления эта ориентация становится более отчетливой; при напряжениях, составляющих 0,5/0,7 от разрушающего в местах изгиба трещины, можно наблюдать образование ряда мелких трещин, расположенных под углом к основной трещине и составляющих меньший угол с плоскостью ориентации, чем основная. Этот эффект исчезает при нагрузках, равных 0,8/0,9 от разрушающей, и угол между плоскостью трещин и осью луча в полистироле при этом составляет 45/90°, т. е. трещины развиваются в плоскостях зарождения.
Таким образом, изотропный образец при сжатии переходит в анизотропный с ориентированными трещинами, а затем опять возникает изотропия свойств при приближении нагрузки к разрушающей.