О О О О

X

Рис. Деформация сдвига.

Деформациякручения является суперпозицией линейной и сдвиговой деформаций. Касательное напряжение увеличивается по мере продвижения от закрепленной точки (0) к поверхности образца. Только для малоразмерных элементов она не является деструктивной. Малоразмерные электронные элементы на полупроводниковых подложках не разламываются. Это используется для создания гибких большеразмерных электронных устройств: дисплеев, солнечных панелей.

Рис. Распределение касательных напряжений при кручении.

Балка меньшего диаметра подвержена меньшим касательным деформациям, поэтому может поворачиваться на существенно больший угол. Тонкие балки могут быть использованы для магнитного или э лектростатического торсионного (torsional) привода. Он предназначен для поворота объекта, закрепленного на подвижном электроде - пластине. При подаче управляющего напряжения пластина поворачивается под действием электростатических сил. Балка при этом изгибается. Балку (коромысло, поворотную ось) называют торсионом, так как она подвергает воздействию крутящего момента. Тонкий торсион обладает свойством упругости. Абсолютные деформации не превышают предельных значений. В отличие от объемного образца имеется возможность релаксации из-за большой поверхности (большого коэффициента K=S/V), а также меньшей абсолютной деформации балки меньшей длины.

Рис. Элемент конструкции с торсионными балками (bars).

Максимальное касательное напряжение t _кр, после которого происходит необратимая деформация сдвига, называется критическим. При этом происходит разрыв связей. Возможны два варианта:

1) невосстанавливаемый разрыв связей - “ скол ”,

2) установление новых связей - “ скольжение ”.

Напряжение σ_F, необходимое для разрушения кубического ионного кристалла Na⁺ CL ^- :

σ_F = (1/a²) (e ²/ 4 π ε₀ a²),

где заряд электрона e = 1,6 10^-19 [Кл ], постоянная решетки a = 2,81 10^-10 [м ], 1/a² – число пар ионов на единицу площади, диэлектрическая постоянная ε₀ = 8,86 10^-12 [Кл² Н^-1 м^-2]

Численно σ_F = 1,44 10¹¹ Па = 1,44 10⁴ [кг/ мм²] или 15 тонн на 1 мм². Однако связи рвутся не одновременно, а по очереди – «эстафетное» перемещение. Дефекты уменьшают напряжение разрыва.

Предел прочности (Н/м²) на...

Материал	...растяжение	...сжатие	...сдвиг
Чугун
Сталь
Алюминий
Бетон			-
Кость конечности			-

Пластическая деформация.

Скольжени е может происходить только в определенной плоскости (локализации связей), которая так и называется “плоскость скольжения”: t cкола > t _кр. При этом происходит сдвиг атомных плоскостей относительно друг друга – пластическое течение. Атомы теряют связи с прежними соседями, но быстро находят новых.. Находится новое положение равновесия, но для этого необходимо некоторое время. Этот пластический сдвиг возможен при

1) касательном напряжении, меньшем t критического,

2) относительно малой скорости, которую приобретают атомы под действием приложенной силы.

Невыполнение указанных условий приводит к сколу даже пластичных материалов. Отношение к условиям предопределяют два вида технологических операций (например, резание и штамповка).

Деформация, остающаяся после снятия нагрузки, называется пластической. Напряжение s (.А), при котором начинает возникать пластическая деформация, называется пределом упругости s _у. Напряжение s (В), после которого удлинение образца возрастает без увеличения действующей силы, называется пределом текучести s_т. Напряжение s (С), после которого наступает разрушение, называется пределом прочности s _пр.

s

s(А) С

s(В) В

s (С) А

0 e ост e(А) e(В) e

Рис. Зависимость деформации от напряжения.

В зависимости от наличия участка пластичности А-В материалы подразделяются на

хрупкие	пластичные
s(А) = s(С)	s(А) << s(c)
- скалывание	- скольжение
eост = 0	eост >

Свойство пластичности определяется типом сил связи. Структура металлической связи предопределяет пластичность. Возможны смещения на тысячи атомных расстояний. Материалы с другими видами связи - хрупки.

С увеличением степени пластической деформации повышается свободная энергия Е_{с в} металла, искажается его кристаллическая структура, меняются свойства: металл упрочняется, понижается сопротивление коррозии, увеличивается скорость диффузии и фазовых превращений, понижается плотность, появляется анизотропия свойств, связанная с предпочтительной ориентацией кристаллитов (текстурой).

Долговечность материала.

Теоретическая прочность тела s _пр приблизительно равна силе притяжения между частицами, расположенными на единичных площадках двух соседних плоскостей, перпендикулярных действию внешней силы F_внеш.

s_пр @ 0.1 Е

Реальная (техническая) прочность s на порядок меньше из-за дефектов материала (микротрещин,..). Концентрация напряжений s_к у концов трещины существенно возрастает. Величина напряжения у края острой трещины, имеющей радиус a закругления:

s_к= s (1 + 2 Ö (L/ a))

Разрыв связи наступает при s_к = s_пр, Из-за неравномерного распределения напряжения в рассматриваемом сечении реальная прочность:

s _реал = s_пр / (1 + 2Ö`(L/ a))

s_к s_к

s

a

L

Рис. Эпюра распределения напряжения в сечении с дефектом.

Механизм разрушения следующий. Трещина уменьшает площадь приложения внешней силы F_вн, увеличивая напряжение s (без увеличения силы) в сечении. Увеличивается напряжение s_к в конце трещины, что вызывает разрыв связей в этом месте. Длина трещины постепенно растет вплоть до критического размера L_кр. При L_кр напряжение достигает предела прочности s_пр, и происходит мгновенное разрушение материала.

Время, необходимое для развития процесса разрушения от момента нагружения тела до момента его разрыва, называется временной прочностью или долговечностью материала. Долговечность зависит от структуры материала (U_св) и температуры, при увеличении которой происходит интенсификация разрывов связей. Неравномерность (случайность) распределения температуры в объеме материала является причиной образования микротрещины. С течением времени число таких микротрещин возрастает - начинается процесс старения. Чем меньше U_св, тем интенсивнее процесс старения.

Механические свойства кристаллических тел с дислокациями.

Нарушения регулярности - дислокации - мешают скольжению. При этом уменьшается пластичность образца, т.е. происходит упрочнение материала. Для упрочнения увеличивают плотность дислокаций в различных направлениях

- механически (наклеп),

- термически (закалка, искусственное старение),

- вводят примесные атомы (легирование материала),

- создают мелкозернистую структуру (рекристаллизация),

- формируют аморфную структуру.

Деформированные области обладают избыточной свободной энергией Е_{с в}. Они менее устойчивы, чем идеальная кристаллическая структура. В них происходят постепенные перемещения атомов в равновесные положения. В результате выделяется энергия для дальнейших преобразований. Внутренние напряжения снимаются. Этот процесс называется отдыхом. Скорость отдыха зависит от энергии связи и температуры.

А

I II III

N_o N₁ N₂ N

Рис. Зависимость сопротивления деформации А от плотности дислокаций N.

В области I дислокации деформируют структуру, чем ослабляют кристалл. В области II, начиная с плотности N_о, кристалл упрочняется, т.к. свободному перемещению дислокаций мешают такие же дислокации, но другого направления. Плотность дислокаций области III практически реализуется с помощью легирования, термообработки, наклепа.

Наноразмерная зернистая структура проявляет большую пластичность. Тонкозеренные структуры обнаруживают возможность улучшения гибкости материала, поскольку отдельные зерна скользят друг относительно друга и трещины в материале не образуются. Это свойство объясняет неожиданно хорошую смазочную способность композиций с наноразмерными частицами. Графит легко расслаивается на графеновые поверхности. Жестко соединенные ковалентной связью внутри фуллерены без больших усилий отрываются друг от друга из-за слабости сил Ван-дер-Ваальса. Заполняют собой даже малые дефекты поверхности, обеспечивая износостойкость и «самосмазываемость».

Идеальная кристаллическая структура получается в тонких (0.005.....2.мкм) нитевидных кристаллах - “ усах ” (вискерах) длиною не более 10 мм.

s

s_у

“усы”

реальные кристаллы

s_у-рк

e

Рис. Напряжение упругости “усов” и реальных кристаллов.

Предел прочности (Н/м²)

Материал	“усов”	реальных кристаллов
Железо	1.3*10^10	3*10^8
Медь	0.3*10^10	2.6*10^8

Упругая деформация “усов” - несколько %. Далее следует хрупкое разрушение: скользит вся плоскость без остановки. У реальных кристаллов упругая деформация составляет доли %. Далее может происходить пластическое течение - полному скольжению препятствуют дефекты.

Рис. Вискеры. (А) - манганита Ba₆Mn₂₄O₄₈, (Б) – карбида в точках расплавленного галлия.

---

Дата добавления: 2015-07-11