|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Прочность | Прочность (далее П)твердых тел, в широком смысле - свойство твердых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле - сопротивление разрушению.
В зависимости от материала, вида напряженного состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (температура, время действия нагрузки и др.) в технике приняты различные меры Прочность (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.). Разрушение твердого тела - сложный процесс, зависящий от перечисленных и многих др. факторов, поэтому технические меры Прочность - условные величины и не могут считаться исчерпывающими характеристиками.
Физическая природа прочности. Прочность твердых тел обусловлена в конечном счете силами взаимодействия между и ионами, составляющими тело. Эти силы зависят главным образом от взаимного расположения Например, сила взаимодействия двух соседних (если пренебречь влиянием окружающих зависит лишь от расстояний между ними (рис. 1). При равновесном расстоянии ro ~ 10 нм эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и отталкиваются, при больших - притягиваются. На критическом расстоянии rk сила притяжения по абсолютной величине максимальна и равна т. Например, если при растяжении цилиндрического стержня с поперечным сечением o действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару внешняя сила превосходит максимальную силу притяжения т, то последние беспрепятственно удаляются друг от друга. Однако, чтобы тело разрушилось вдоль некоторой поверхности, необходимо, чтобы все пары расположенные по обе стороны от рассматриваемой поверхности, испытывали силу, превосходящую т. Напряжение, отвечающее силе т, называется теоретической прочностью на разрыв st (st " 0,1 Е, где Е - модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, которой соответствует напряжение s = */, в 100-1000 раз меньшее st. Расхождение теоретической Прочность с действительной объясняется неоднородностями структуры тела (границы зерен в поликристаллическом материале, посторонние включения и др.), из-за которых нагрузка Р распределяется неравномерно по сечению тела.
Механизм разрушения. Зарождению микротрещин при напряжении ниже st способствуют термической флуктуации. Если на участке поверхности малых размеров (но значительно превышающем сечение одного локальное напряжение окажется больше st, вдоль этой площадки произойдет разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее rk, на котором межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 2). Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит концентрация напряжений, причем они тем больше, чем больше ее размер. Если этот размер больше некоторого критического rc, на у края трещины действует напряжение, превосходящее sт, и трещина растет дальше по всему сечению тела с большой скоростью - наступает разрушение. rc определяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: rc " Еg / s2 (где g - энергия единицы поверхности материала). Прежде чем возрастающее внешнее усилие достигнет необходимой для разрушения величины, отдельные группы особенно входящие в состав дефектов в обычно испытывают перестройки, при которых локальные напряжения уменьшаются ("релаксируют"). В результате происходит необратимое изменение формы тела - пластическая деформация; ей также способствуют термической флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластическая деформация. Поэтому при оценке rc в энергию g должна быть включена работа пластической деформации gР, которая обычно на несколько порядков больше истинной поверхностной энергии g. Если пластическая деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объеме тела, то разрушение вязкое. Разрушение без заметных следов пластической деформации называется хрупким. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома, изучаемой фрактографией. В телах хрупкому разрушению отвечает скол по плоскостям спайности, вязкому - слияние микропустот (на фрактограммах выявляются в виде чашечек) и скольжение. При низкой температуре разрушение преимущественно хрупкое, при высокой - вязкое. температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению называется критической температурой хладноломкости.
Поскольку разрушение есть процесс зарождения и роста трещин, оно характеризуется скоростью или временем t от момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала. Исследования многих и аморфных тел показали, что в широком интервале температур Т (по абсолютной шкале) и напряжений s, приложенных к образцу, долговечность t при растяжении определяется соотношением
 (1)
где t0 - приблизительно равно периоду тепловых колебаний в твердом теле (10-12 сек), энергия 0 близка к энергии сублимации материала, активационный объем составляет обычно несколько тысяч объемов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термической и механической обработки и во время нагружения, k = 1,38 ×10-16 эрг/град - постоянная Больцмана. При низких температурах долговечность очень резко падает с ростом напряжения, так что при любых важных для практики значениях t существует почти постоянное предельное значение напряжения s0, выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже - живет неограниченно долго. Это значение s0 можно считать пределом прочности (см. табл.).
Некоторые значения прочности на растяжение, s0 в кгс/мм2 (1 кгс/мм2= 10 Мн/м2)
Материалы
|
s0
|
s0/Е
|
Графит (нитевидный
Сапфир (нитевидный
(нитевидный
Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали
Тянутая проволока из
Стекловолокно
Мягкая сталь
Нейлон
|
2400
1500
1300
420
380
360
60
50
|
0,024
0,028
0,044
0,02
0,009
0,035
0,003
|
Время t затрачивается на ожидание термофлуктуационного зарождения микротрещин и на их рост до критического размера rc. Когда к образцу прикладывают напряжение s, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причем около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластической деформации, возникают большие локальные напряжения (в в голове заторможенных сдвигов - скоплений дислокаций). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (например, в некоторых ориентированных полимерах до 1015 трещин в 1 см3). Однако при этом их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше rc. Трещины не растут, и тело не разрушается, пока случайно, например благодаря последовательному слиянию близко расположенных соседних микротрещин, одна из них не дорастет до критического размера. Поэтому при создании прочных материалов следует заботиться не столько о том, чтобы трещины не зарождались, сколько о том, чтобы они не росли.
Случайное распределение структурных неоднородностей по объему образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термических флуктуаций приводят к разбросу значений долговечности (а также предела Прочность s0) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях s и Т. Вероятность встретить в образце "слабое" место тем больше, чем больше его объем. Поэтому Прочность (разрушающее напряжение) малых образцов (например, тонких нитей) выше, чем больших из того же материала (т. н. масштабный эффект). Участки с повышенным напряжением, где легче зарождаются микротрещины, встречаются чаще у поверхности (выступы, царапины). Поэтому полировка поверхности и защитные покрытия повышают Прочность Напротив, в агрессивных средах Прочность понижена.
Меры повышения прочности. При создании высокопрочных материалов стремятся в первую очередь повысить сопротивление пластической деформации. В телах это достигается либо за счет снижения плотности дефектов (Прочность нитевидных лишенных подвижных дислокаций, достигает теоретической), либо за счет предельно большой плотности дислокаций в мелкодисперсном материале. Второе требование - большое сопротивление разрушению - сводится к выбору материала с высокой теоретической Прочность sт = 0,1 Е. Создать материалы с модулем Юнга Е, превышающим максимальные встречающиеся в природе значения, можно искусственно, путем применения высоких давлений; однако в этом направлении делаются лишь первые шаги. Большие значения sт затрудняют зарождение микротрещин. Чтобы предотвратить их рост, материал должен быть достаточно пластичным. Тогда у вершины трещины необходимые для ее роста высокие напряжения рассасываются за счет пластической деформации. Сочетание высокой Прочность и пластичности достигается в сплавах термомеханической обработкой, в композитах - подбором материала волокон и матрицы, объемной доли и размера волокон. Трещина, возникшая в прочной (обычно хрупкой) фазе сплава или в волокне композита, останавливается у границы с пластичной матрицей. Поэтому важной характеристикой высокопрочных материалов является сопротивление распространению трещины, или вязкость разрушения. При механическом измельчении материалов требуется пониженная Прочность Она достигается воздействием поверхностно-активных сред (органические вещества, вода).
Лит.: Разрушение, пер. с англ., под ред. А. Ю. Ишлинского, т. 1, М., 1973; Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1962; Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 2 изд., М., 1971; Механические свойства новых материалов, пер. с англ., под ред. Г. И. Баренблатта, М., 1966; Инденбом В. Л., Орлов А. Н., Проблема разрушения в физике прочности, "Проблемы прочности", 1970, № 12, с. 3; Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.
А. Н. Орлов.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
