Прочность

Физическая природа прочности. П. 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. 1). 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 r_k сила притяжения по абсолютной величине максимальна и равна F_т. Например, если при растяжении цилиндрического стержня с поперечным сечением S_o действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внешняя сила превосходит максимальную силу притяжения F_т, 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_т. Напряжение, отвечающее силе F_т, называется теоретической прочностью на разрыв s_t (s_t " 0,1 Е, где Е — модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, которой соответствует напряжение s = P*/S, в 100—1000 раз меньшее s_t. Расхождение теоретической П. 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 s_t способствуют термической . Если на участке поверхности S малых размеров (но значительно превышающем сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше s_t, вдоль этой площадки произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее r_k, на котором межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 2). Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит , причём они тем больше, чем больше её размер.

Если этот размер больше некоторого критического r_c, на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее s_т, и трещина растет дальше по всему сечению тела с большой скоростью — наступает разрушение. r_cопределяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: r_c " Еg/ s² (где g — 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 термической флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластическая деформация. Поэтому при оценке r_c в энергию g должна быть включена работа пластической деформации g^Р, которая обычно на несколько порядков больше истинной поверхностной энергии g. Если пластическая 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 . В кристаллических телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографическим плоскостям спайности, вязкому — слияние микропустот (на фрактограммах выявляются в виде чашечек) и скольжение. При низкой температуре 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 t 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 s, приложенных к образцу, долговечность t при растяжении определяется соотношением

(1)

где t₀ — приблизительно равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10^-12 сек), энергия U₀ близка к энергии 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, k =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 t существует почти постоянное предельное значение напряжения s₀, выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение s₀ можно считать пределом прочности

Про -Прочность можно почитать тут: