| 8406202 9216 1210 912 1енно 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 силу, превосходящую FT. Напряжение, отвечающее силе Fт, наз. теоретич. прочностью на разрыв от (от ~ 0,1 E, где Е- модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, к-рой соответствует напряжение o=P*/S, в 100-1000 раз меньшее oт. Расхождение теоретич. П. 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.
Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.
Механизм разрушения. Зарождению микротрещин при напряжении ниже от способствуют термич. флуктуации. Если на участке поверхности S малых размеров (по значительно превышающем сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше от, вдоль этой площадки произойдёт разрыв.
Рис. 2. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направление растяжения; заштрихована область, в к-рой сняты напряжения.
Края разрыва разойдутся на расстояние, большее rк, на к-ром межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 2). 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. rc, на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее от, и трещина растёт 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: rс ~ Еy/o2 (где у - 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 к-рых локальные напряжения уменьшаются ("релаксируют"). В результате происходит необратимое изменение формы тела - пластич. деформация; ей также способствуют термич. флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластич. деформация. Поэтому при оценке rcв энергию у должна быть включена работа пластич. деформации уp, к-рая обычно на неск. порядков больше истинной поверхностной энергии у. Если пластич. деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме тела, то разрушение вязкое. Разрушение без заметных следов пластич. деформации наз. хрупки м. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома, изучаемой фрактографией. В кристаллич. телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографич. плоскостям спайности, вязкому - слияние микропустот (на фрактограммах выявляются в виде чашечек) и скольжение. При низкой темп-ре разрушение преим. хрупкое, при высокой - вязкое. Темп-ра перехода от вязкого к хрупкому разрушению наз. критич. темп-рой 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 кристаллич. и аморфных тел показали, что в широком интервале темп-р Т (по абс. шкале) и напряжений o, приложенных к образцу, долговечность t при растяжении определяется соотношением
[2112-4.jpg]
где to - приблизительно равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10-12 сек), энергия Uoблизка к энергии сублимации материала, активац. объём V составляет обычно несколько тысяч атомных объёмов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термич. и механич. обработки и во время нагружения, k = l,38 .10-16эрг/град - постоянная Больцмана. При низких темп-рах долговечность очень резко падает с ростом напряжения, так что при любых важных для практики значениях т существует почти постоянное предельное значение напряжения oо, выше к-рого образец разрушается практически мгновенно, а ниже - живёт неограниченно долго. Это значение 0о можно считать пределом прочности (см. табл.).
Время t затрачивается на ожидание термофлуктуационного зарождения микротрещин и на их рост до критич. размера rc. Когда к образцу прикладывают напряжение o, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластич. деформации, возникают большие локальные напряжения (в кристаллах в голове заторможенных сдвигов - скоплений дислокаций), В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (напр., в нек-рых ориентированных полимерах до 1015 трещин в 1 cм3). Однако при этом их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше rc. Трещины не растут, и тело не разрушается, пока случайно, напр. благодаря последовательному слиянию близко расположенных соседних микротрещин, 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.
Некоторые значения прочности на растяжение, oо в кгс/мм2 (1 кгс/мм2 = 10 Мн/м2)
Материалы
oо
oo/Е
Графит (нитевидный кристалл)
2400
0,024
Сапфир (нитевидный кристалл)
1500
0,028
Железо (нитевидный кристалл)
1300
0,044
Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали
420
0,02
Тянутая проволока из вольфрама
380
0,009
Стекловолокно
360
0,035
Мягкая сталь
60
0,003
Нейлон
50
Случайное распределение структурных неоднородностей по объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термич. флуктуации приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. оо) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях а и Г. Вероятность встретить в образце "слабое" место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. (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. Напротив, в агрессивных средах П. понижена.
Меры повышения прочности. При создании высокопрочных материалов стремятся в первую очередь повысить сопротивление пластич. деформации. В кристаллич. телах это достигается либо за счёт снижения плотности дефектов (П. нитевидных кристаллов, лишённых подвижных дислокаций, достигает теоретической), либо за счёт предельно большой плотности дислокаций в мелкодисперсном материале. Второе требование - большое сопротивление разрушению - сводится к выбору материала с высокой теоретич. П. от = 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 от затрудняют зарождение микротрещин. Чтобы предотвратить их рост, материал должен быть достаточно пластичным. Тогда у вершины трещины необходимые для её роста высокие напряжения рассасываются за счёг пластич. деформации. Сочетание высокой П. и пластичности достигается в сплавах термомеханич. обработкой, в композитах - подбором материала волокон и матрицы, объёмной 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 механич. измельчении материалов требуется пониженная П. 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., ТомашевскийЭ. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974. Л. Н. Орлов.
ПРОШИВКА в металлообработке, 1) операция при ковке и штамповке поковок, осуществляемая на кузнечных прессах и молотах для получения в теле поковки отверстия (сквозная П.) или углубления (несквозная П.) путём вдавливания в неё сплошного или полого прошивня или пуансона. П. может использоваться также как подготовительная операция д |
