Прочность.

Прочность твёрдых тел, в широком смысле -— свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части)/ а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению.

Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов.
Техническую прочность определяют описанные выше свойства s0,2, sB, Sк, E, s-1 и др.
Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которые должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смешаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.
Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 - 1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего с существованием дислокаций.
В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (температура, время действия нагрузки и др.) в технике приняты различные меры прочности (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.). Разрушение твёрдого тела — сложный процесс, зависящий от перечисленных и многих др. факторов, поэтому технические меры прочности — условные величины и не могут считаться исчерпывающими характеристиками.

Физическая природа прочности. Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами и ионами, составляющими тело. Эти силы зависят главным образом от взаимного расположения атомов. Например, сила взаимодействия двух соседних атомов (если пренебречь влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояний между ними (рис. 3.2.). При равновесном расстоянии r_o ~ 10 нм эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются, при больших — притягиваются. На критическом расстоянии г_к сила притяжения по абсолютной величине максимальна и

равна F_t. Например, если при растяжении цилиндрического стержня с поперечным сечением So действующая сила Р, направленная вдоль его

оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внешняя сила превосходит максимальную силу притяжения F_t, то последние

беспрепятственно удаляются друг от друга. Однако, чтобы тело разрушилось вдоль некоторой поверхности, необходимо, чтобы все пары атомов, расположенные по обе стороны от рассматриваемой поверхности, испытывали силу, превосходящую F_t.. Напряжение, отвечающее силе F_t,

называется теоретической прочностью на разрыв σ_τ (σ_τ ≈ 0,1 Е, где Е —

модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, которой соответствует напряжение σ = Р*/S в 100—1000 раз меньшее σ_τ.

Расхождение теоретической прочности с действительной объясняется неоднородностями структуры тела (границы зёрен в поликристаллическом материале, посторонние включения и др.), из-за которых нагрузка Р распределяется неравномерно по сечению тела.

Механизм разрушения. Зарождению микротрещин при напряжении ниже σ_τ способствуют термические флуктуации. Если на участке поверхности S

малых размеров (но значительно превышающем сечение одного ато ма) локальное напряжение окажется больше σ_τ, вдоль этой площадки

произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее г_к,

на котором межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 3.3.). Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит концентрация напряжений, причём они тем

больше, чем больше её размер. Если этот размер больше некоторого критического r_c, на атомы у края трещины действует напряжение,

превосходящее σ_т и трещина растет дальше по всему сечению тела с большой скоростью — наступает разрушение, r_c определяется из условия,

что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины:

r_c ≈ Еу / σ² (где γ — энергия единицы поверхности материала). Прежде,

чем возрастающее внешнее усилие достигнет необходимой для разрушения величины, отдельные группы атомов, особенно входящие в состав дефектов в кристаллах, обычно испытывают перестройки, при которых локальные напряжения уменьшаются («релаксируют»). В результате происходит необратимое изменение формы тела — пластическая деформация; ей также способствуют термические флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластическая деформация. Поэтому при оценке r_c в энергию у должна быть включена работа пластической деформации γ^р, которая обычно на несколько порядков больше истинной поверхностной энергии у.

Рис. 3.2.. Сила взаимодействия двух атомов в зависимости от расстояния между ними.

σ

↑

___________________

_______________________

↓

σ

Рис. 3.3. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направления растяжения; Заштрихована область, в которой сняты напряжения.

Еслипластическая деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме тела, то разрушение вязкое. Разрушение без заметных следов пластической деформации называется хрупким. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома, изучаемой фрактографией. В кристаллических телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографическим плоскостям спайности, вязкому — слияние микропустот (на фрактограммах выявляются в виде чашечек) и скольжение. При низкой температуое 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 τ от момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала. Исследования многих кристаллических и аморфных тел показали, что в широком интервале температур Т (по абсолютной шкале) и напряжений σ, приложенных к образцу, долговечность τ при растяжении определяется соотношением

τ = τ_о exp (U_o - σV / kT ) (1)

где τ_о — приблизительно равно периоду тепловых колебаний атомов в

твёрдом теле (10-12 сек), энергия U_o близка к энергии сублимации

материала, активационный объём V составляет обычно несколько тысяч атомных объёмов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термической и механической обработки и во

время нагружения, к == 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 τ существует почти постоянное предельное значение напряжения σ_о, выше

которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение σ_о можно считать пределом прочности

(см. табл.).

Некоторые значения прочности на растяжение, σ_о в кгс/мм2 (1 кгс/мм2 = 10 Мн/м 2)

Материалы	σо	σо/Е
Графит (нитевидный кристалл)		0,024
Сапфир (нитевидный кристалл)		0,028
Железо (нитевидный кристалл)		0,044
Тянутая проволока из высокоуглеродистой		0,02
стали		0,009
Тянутая проволока из вольфрама		0,035
Стекловолокно		0,003
Мягкая сталь
Нейлон

Время τ затрачивается на ожидание термофлуктуационного зарождения микротрещин и на их рост до критического размера г _с. Когда к образцу

прикладывают напряжение σ, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластической деформации, возникают большие локальные напряжения (в кристаллах в голове заторможенных сдвигов — скопление дислокации). 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 r_c. 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 объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термических флуктуации приводят к разбросу значений долговечности (а также предела прочности – σ_о) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях σ и Т. Вероятность встретить в образце «слабое» место тем больше, чем больше его объём. 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, защитные покрытия повышают прочность. Напротив, в агрессивных средах прочность понижена.

Механические свойства материалов, совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим М. с. м. измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм2 или Мн/м2}, деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс∙м/см2 или Мдж/м2}, скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мн/кцикл}. М. с. м определяются при механических испытаниях образцов различной формы.

В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам {рис. 3.4.): работать на растяжени е, сжатие, изгиб, кручение, срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например, растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей механических свойств материалов и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, твёрдость, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.

Рис.3.4. Схемы деформации при разных способах нагружения: а – растяжение, б – сжатие, в – изгиб, г- кручение (пунктиром показана начальная форма образцов).

Дата добавления: 2015-07-25