прочность твёрдых тел

ПРОЧНОСТЬ ТВЁРДЫХ ТЕЛ - в широком смысле способность твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластич. деформации) под действием внеш. нагрузок. В узком смысле - сопротивление разрушению. В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (темп-pa, время действия нагрузки и др.) в технике приняты разл. меры П. т. т. (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и т.д.). Разрушение твёрдого тела - сложный процесс, зависящий от мн. факторов, поэтому величины, определяющие П. т. т., являются условными.

Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.

Физическая природа прочности. П. т. т. обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами или ионами, составляющими тело. Напр., сила взаимодействия двух соседних атомов (если пренебречь влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояния между ними (рис. 1). При равновесном расстоянии r₀ ~ 0,1 нм (1 ) эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются, при больших - притягиваются. На критич. расстояниисила притяжения по абс. величине максимальна и равна F_T. Напр., если при растяжении цилинд-рич. стержня с поперечным сечением S₀ действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внеш. сила превосходит макс. силу притяжения F_T, то атомы беспрепятственно удаляются друг от друга. Однако, чтобы тело разрушилось вдоль нек-рой поверхности, необходимо, чтобы все пары атомов, расположенные по обе стороны от рассматриваемой поверхности, испытывали действие силы, превосходящей F_T. Напряжение, отвечающее силе F т, наз. теоретич. прочностью на разрыв s т (s_T0,1 E, где E - модуль Юнга). Однако на практике наблюдается разрушение при нагрузке Р*, к-рой соответствует напряжение s = P*/S в 100-1000 раз меньше s т· Расхождение теоретич. П. т. т. с действительной объясняется неоднородностями структуры тела (границы зёрен в поликристаллич. материале, посторонние включения и др.), из-за к-рых нагрузка Р распределяется неравномерно по сечению тела.

Механизм разрушения. Если на участке поверхности малых размеров (но значительно превышающих сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше s т, вдоль этой площадки произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее r_к, на к-ром межатомные силы уже малы, и образуется микротрещина (рис. 2). Зарождению микротрещин при напряжении ниже sт способствуют термич. флуктуации.

Рис. 2. Трещина Гриффита; заштрихована область, в которой сняты напряжения. Стрелки указывают направление напряжения.

Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит концентрация напряжений, причём они тем больше, чем больше её размер. Если этот размер больше нек-рого критич. r_с, на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее sт, и трещина растёт дальше по всему сечению тела с большой скоростью - наступает разрушение. Величина r_с определяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: (где g - энергия единицы поверхности материала). Прежде чем возрастающее внеш. усилие достигнет необходимой для разрушения величины, отд. группы атомов, особенно входящие в состав дефектов в кристаллах, обычно испытывают перестройки, при к-рых локальные напряжения уменьшаются ("релаксируют"). В результате происходит необратимое изменение формы тела - пластич. деформация; ей также способствуют термич. флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая пли меньшая пластич. деформация. Поэтому при оценке r_с в энергию g должна быть включена работа пластич. деформации у^Р. Если пластич. деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме тела, то разрушение вязкое. Разрушение без за-метных следов пластич. деформации наз. хрупким. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома. В кристаллич. телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографич. плоскостям спайности, вязкому - слияние микропустот и скольжение. При низкой темп-ре разрушение преим. хрупкое, при высокой - вязкое. Темп-pa перехода от вязкого к хрупкому разрушению наз. критич. темп-рой хладноломкости.

Поскольку разрушение есть процесс зарождения и роста трещин и пор, оно характеризуется скоростью или временемот момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала. Исследования мн. кристаллич. и аморфных тел показали, что в широком интервале темп-р Т и напряжений s, приложенных к образцу, долговечность при растяжении определяется соотношением

гдеприбл. равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10^-12 с), энергия U₀ близка к энергии сублимации материала, активац. объём V составляет обычно неск. тысяч атомных объёмов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термич. и механич. обработки и во время нагружения. При низких темп-pax долговечность очень резко падает с ростом напряжения, так что прп любых важных для практики значенияхсуществует почти постоянное предельное значение напряжения выше к-рого образец разрушается практически мгновенно, а ниже - живёт неограниченно долго. Это значение s₀ можно считать прочности пределом (табл.).

Некоторые значения предела прочности на растяжение,

кгс/мм² (1 кгс/мм²=10 МН/м²)

Времязатрачивается на ожидание термофлуктуац. зарождения микротрещин и на их рост до критич. размера . Когда к образцу прикладывают напряжение s, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластич. деформации, образуются большие локальные напряжения (напр., в кристаллах - в результате скопления дислокаций). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (напр., в нек-рых ориентиров. полимерах до 10¹⁵ трещин в 1 см³). Однако их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше . Под пост. напряжением размеры и концентрация трещин растут медленно и тело не разрушается, пока случайно (напр., в результате последоват. слияния близко расположенных соседних трещин) одна из них не дорастёт до критич. 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 объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термин. флуктуации приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. т. т.) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значенияхи Т. Вероятность встретить в образце "слабое" место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. т. т. (разрушающее напряжение) малых образцов (напр., 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 П. т. т. Напротив, в агрессивных средах П. т. т. понижена.

Лит.: Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 3 изд., М., 1978; Разрушение, пер. с англ., т. 1, М., 1973; Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.

А. Н. Орлов.

   <<      Предметный указатель      >>