Міцність

Міцність твердих тіл, в широкому сенсі — властивість твердих тіл чинити опір руйнуванню (розділенню на частини), а також необоротній зміні форми (пластичній деформації) під дією зовнішніх навантажень. У вузькому сенсі — опір руйнуванню.

  Залежно від матеріалу, вигляду напруженого стану (розтягування, стискування, вигин і ін.) і умов експлуатації (температура, час дії навантаження і ін.) в техніці прийняті різні заходи П. (межа текучості, тимчасовий опір, межа втоми і ін.). Руйнування твердого тіла — складний процес, залежний від перерахованих і багатьох ін. чинників, тому технічні заходи П. — умовні величини і не можуть вважатися вичерпними характеристиками.

  Фізична природа міцності. П. твердих тіл обумовлена кінець кінцем силами взаємодії між атомами і іонами, складовими тіло. Ці сили залежать головним чином від взаємного розташування атомів. Наприклад, сила взаємодії двох сусідніх атомів (якщо нехтувати впливом навколишніх атомів) залежить лише від відстаней між ними ( мал. 1 ). При рівноважній відстані r _про ~ 10 нм ця сила дорівнює нулю. При менших відстанях сила позитивна і атоми відштовхуються, при великих — притягуються. На критичній відстані r _до сила тяжіння по абсолютній величині максимальна і рівна F _т . Наприклад, якщо при розтягуванні циліндрового стрижня з поперечним перетином S _про сила Р, що діє, направлена уздовж його осі, така, що що доводиться на дану пару атомів зовнішня сила перевершує максимальну силу тяжіння F _т , то останні безперешкодно віддаляються один від одного. Проте, щоб тіло руйнувалося уздовж деякої поверхні, необхідно, щоб всі пари атомів, розташовані по обидві сторони від даної поверхні, випробовували силу, що перевершує F _т . Напруга, що відповідає силі F _т , називається теоретичною міцністю на розрив s _t (s _t » 0,1 Е , де Е — модуль Юнга). Але на досвіді спостерігається руйнування при навантаженні Р* , якою відповідає напруга s = P */ S, в 100—1000 разів менше s _t . Розбіжність теоретичною П. з дійсною пояснюється неоднородностямі структури тіла (кордони зерен в полікристалічному матеріалі, сторонні включення і ін.), із-за яких навантаження Р розподіляється нерівномірно по перетину тіла.

  Механізм руйнування. Зародженню мікротріщин при напрузі нижче s _t сприяють термічною флуктуації . Якщо на ділянці поверхні S малих розмірів (але що значно перевищує перетин одного атома) локальна напруга виявиться більше s _t , уздовж цього майданчика станеться розрив. Краї розриву розійдуться на відстань, більше r _до , на якому міжатомні сили вже малі, і утворюється тріщина ( мал. 2 ). Локальна напруга особливо велика в краю тріщини, що утворилася, де відбувається концентрація напруги, причому вони тим більше, чим більше її розмір. Якщо цей розмір більше деякого критичного r _з , на атоми в краю тріщини діє напруга, що перевершує s _т , і тріщина зростає далі по всьому перетину тіла з великою швидкістю — настає руйнування. r _з визначається з умови, що що звільнилася при зростанні тріщини пружна енергія матеріалу покриває витрати енергії на утворення нової поверхні тріщини: r _з » Е g / s ² (де g — енергія одиниці поверхні матеріалу). Перш ніж зростаюче зовнішнє зусилля досягне необхідної для руйнування величини, окремі групи атомів, що особливо входять до складу дефектів в кристалах, зазвичай випробовують перебудови, при яких локальні напруга зменшується («релаксируют»). В результаті відбувається необоротна зміна форми тіла — пластична деформація; їй також сприяють термічній флуктуації. Руйнуванню завжди передує велика або менша пластична деформація. Тому при оцінці r _з в енергію g має бути включена робота пластичної деформації g ^Р , яка зазвичай на декілька порядків більше дійсної поверхневої енергії g . Якщо пластична деформація велика не лише поблизу поверхні руйнування, але і в об'ємі тіла, те руйнування в'язке. Руйнування без помітних слідів пластичної деформації називається крихким. Характер руйнування виявляється в структурі поверхні зламу, що вивчається фрактографією . В кристалічних тілах крихкому руйнуванню відповідає ськол по кристалографічній плоскості спайності, в'язкому — злиття мікропорожнеч (на фрактограммах виявляються у вигляді чашок) і ковзання. При низькій температурі руйнування переважно крихке, при високій — в'язке. температура переходу від в'язкого до крихкого руйнування називається критичною температурою холодноламкості.

  Оскільки руйнування є процес зародження і зростання тріщин, воно характеризується швидкістю або часом t від моменту додатка навантаження до моменту розриву, тобто довговічністю матеріалу. Дослідження багатьох кристалічних і аморфних тіл показали, що в широкому інтервалі температур Т (за абсолютною шкалою) і напруги s, прикладених до зразка, довговічність t при розтягуванні визначається співвідношенням

     (1)

де t ₀ — приблизно рівний періоду теплових коливань атомів в твердому телі (10 ^-12 сік ), енергія U ₀ близька до енергії сублімації матеріалу, активаційний об'єм V складає зазвичай декілька тисяч атомних об'ємів і залежить від структури матеріалу, що сформувалася в процесі попередньої термічної і механічної обробки і під час вантаження, до = 1,38 ×10 ^-16 ерг/град — постійна Больцмана. При низьких температурах довговічність дуже різко падає із зростанням напруги, так що при будь-яких важливих для практики значеннях t існує майже постійне граничне значення напруги s ₀ , вище за яке зразок руйнується практично миттєво, а нижче — живе необмежено довго. Це значення s ₀ можна вважати межею міцності (див. таблиці.).

  Деякі значення міцності на розтягування, s ₀ в кгс/мм ² (1 кгс/мм ² = 10 Мн/м-код ² )

  Час t витрачається на чекання термофлуктуационного зародження мікротріщин і на їх зростання до критичного розміру r _с. Коли до зразка прикладають напругу s, він деформується спочатку пружно, потім пластично, причому біля структурних неоднородностей, що були у вихідному стані або виникли при пластичній деформації, виникає велика локальна напруга (у кристалах в голові загальмованих зрушень — скупчень дислокацій ). У цих місцях зароджуються мікротріщини. Їх концентрація може бути дуже великою (наприклад, в деяких орієнтованих полімерах до 10 ¹⁵ тріщин в 1 см ³ ). Проте при цьому їх розміри, визначувані масштабом структурних неоднородностей, значно менше r _з . Тріщини не зростають, і тіло не руйнується, поки випадково, наприклад завдяки послідовному злиттю близько розташованих сусідніх мікротріщин, одна з них не доросте до критичного розміру. Тому при створенні міцних матеріалів слід піклуватися не стільки про те, щоб тріщини не зароджувалися, скільки про те, щоб вони не зростали.

  Випадковий розподіл структурних неоднородностей за об'ємом зразка, по розмірах і по міри міцності і випадковий характер термічних флуктуацій приводять до розкиду значень довговічності (а також межі П. s ₀ ) при випробуваннях однакових зразків при заданих значеннях s і Т. Вірогідність зустріти в зразку «слабке» місце тим більше, чим більше його об'єм. Тому П. (руйнівна напруга) малих зразків (наприклад, тонких ниток) вище, ніж великих з того ж матеріалу (т.з. масштабний ефект). Ділянки з підвищеною напругою, де легше зароджуються мікротріщини, зустрічаються частіше в поверхні (виступи, подряпини). Тому поліровка поверхні і захисні покриття підвищують П. Навпроти, в агресивних середовищах П. знижена.

  Заходи підвищення міцності. При створенні високоміцних матеріалів прагнуть в першу чергу підвищити опір пластичній деформації. У кристалічних тілах це досягається або за рахунок зниження щільності дефектів (П. ниткоподібних кристалів, позбавлених рухливих дислокацій, досягає теоретичної), або за рахунок граничний великій щільності дислокацій в мелкодісперсном матеріалі. Друга вимога — великий опір руйнуванню — зводиться до вибору матеріалу з високою теоретичною П. s _т = 0,1 Е. Створити матеріали з модулем Юнга Е, що перевищує максимальні значення, що зустрічаються в природі, можна штучно, шляхом вживання високого тиску; проте в цьому напрямі робляться лише перші кроки. Великі значення s _т утрудняють зародження мікротріщин. Щоб запобігти їх зростанню, матеріал має бути досить пластичним. Тоді у вершини тріщини необхідна для її зростання висока напруга розсмоктується за рахунок пластичної деформації. Поєднання високою П. і пластичності досягається в сплавах термомеханічної обробкою, в композитах — підбором матеріалу волокон і матриці, об'ємної долі і розміру волокон. Тріщина, що виникла в міцній (зазвичай крихкою) фазі сплаву або у волокні композиту, зупиняється в кордону з пластичною матрицею. Тому важливою характеристикою високоміцних матеріалів є опір поширенню тріщини, або в'язкість руйнування. При механічному подрібненні матеріалів потрібний знижена П. Она досягається дією поверхнево-активних середовищ (органічні речовини, вода).

  Літ.: Руйнування, пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. А. Ю. Ішлінського, т. 1, М., 1973; Работнов Ю. Н., Опір матеріалів, М., 1962; Гуль Ст Е., Структура і міцність полімерів, 2 видавництва, М., 1971; Механічні властивості нових матеріалів, пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. Р. І. Баренблатта, М., 1966; Інденбом Ст Л., Орлів А. Н., Проблема руйнування у фізиці міцності, «Проблеми міцності», 1970 № 12, с. 3; Регель Ст Р., Слуцкер А. І., Томашевський Е. Е., Кінетична природа міцності твердих тіл, М., 1974.

  А. Н. Орлів.

Мал. 2. Тріщина Грифіта. Стрілки вказують напрям розтягування; заштрихована область, в якій зняті напруга.

Мал. 1. Залежність сили взаємодії двох атомів від відстані між ними.