Разрушение твёрдого тела - сложный процесс, зависящий от множества факторов, поэтому величины, определяющие прочность твёрдых тел, являются условными.
Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.
Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами или ионами, составляющими тело. Напр., сила взаимодействия двух соседних атомов (если пренебречь влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояния между ними (рис. 1). При равновесном расстоянии r0 ~ 0,1 нм (1 ) эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются, при больших - притягиваются. На критич. расстояниисила притяжения по абс. величине максимальна и равна FT. Напр., если при растяжении цилинд-рич. стержня с поперечным сечением S0 действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внеш. сила превосходит макс. силу притяжения FT, то атомы беспрепятственно 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 действие силы, превосходящей FT. Напряжение, отвечающее силе F т, наз. теоретич. прочностью на разрыв s т (sT0,1 E, где E - модуль Юнга). Однако на практике наблюдается разрушение при нагрузке Р*, к-рой соответствует напряжение s = P*/S в 100-1000 раз меньше s т· Расхождение теоретич. П. т. т. 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.
Если на участке поверхности малых размеров (но значительно превышающих сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше s т, вдоль этой площадки произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее rк, на к-ром межатомные силы уже малы, и образуется микротрещина (рис. 2). Зарождению микротрещин при напряжении ниже sт способствуют термич. флуктуации.
Рис. 2. Трещина Гриффита; заштрихована область, в которой сняты напряжения. Стрелки указывают направление напряжения.
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. rс,
на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее sт, и
трещина растёт дальше по всему сечению тела с большой скоростью - наступает
разрушение. Величина rс определяется из условия, что освободившаяся
при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование
новой поверхности трещины:
(где g - энергия единицы поверхности материала). Прежде чем возрастающее
внеш. усилие достигнет необходимой для разрушения
величины, отд. 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
пли меньшая пластич. деформация. Поэтому при оценке rс в энергию
g должна быть включена работа пластич. деформации уР. Если
пластич. деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме
тела, то разрушение вязкое. Разрушение без за-метных следов пластич. деформации
наз. хрупким. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома.
В кристаллич. телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографич. плоскостям
спайности, вязкому - слияние микропустот и скольжение. При низкой температуре разрушение
преим. хрупкое, при высокой - вязкое. Темп-pa перехода от вязкого к хрупкому
разрушению наз. критич. температурой хладноломкости.
Поскольку разрушение есть процесс зарождения и роста трещин и пор, оно
характеризуется скоростью или временемот
момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала.
Исследования мн. кристаллич. и аморфных тел показали, что в широком интервале
температур Т и напряжений s, приложенных к образцу, долговечность при
растяжении определяется соотношением
гдеприбл.
равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10-12 с),
энергия U0 близка к энергии сублимации материала, активац.
объём V составляет обычно неск. тысяч атомных объёмов и зависит от структуры
материала, сформировавшейся в процессе предварительной термич. и механич. обработки
и во время нагружения. При низких темп-pax долговечность очень резко падает
с ростом напряжения, так что прп любых важных для практики значенияхсуществует
почти постоянное предельное значение напряжения
выше к-рого образец разрушается практически мгновенно, а ниже
- живёт неограниченно долго. Это значение s0 можно считать прочности
пределом (табл.).
кгс/мм2 (1 кгс/мм2=10 МН/м2)
|
s0
|
s0/E
|
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 |
|
Времязатрачивается на ожидание термофлуктуац. зарождения микротрещин и на их рост до критич. размера . Когда к образцу прикладывают напряжение s, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластич. деформации, образуются большие локальные напряжения (напр., в кристаллах - в результате скопления дислокаций). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (напр., в нек-рых ориентиров. полимерах до 1015 трещин в 1 см3). Однако их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше . Под пост. напряжением размеры и концентрация трещин растут медленно и тело не разрушается, пока случайно (напр., в результате последоват. слияния близко расположенных соседних трещин) 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.
Случайное распределение структурных неоднородностей по объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термин. флуктуации приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. т. т.) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значенияхи Т. Вероятность встретить в образце "слабое" место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. т. т. (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. т. т. Напротив, в агрессивных средах П. т. т. понижена.
По прочности металлы можно разделить на следующие группы:
К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.
Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.
Таблица 10. Прочность металлов
Металл | Временное сопротивление, МПа | Металл | Временное сопротивление, МПа |
Титан | 580 | Цинк | 120-140 |
Железо | 200-300 | Алюминий | 80-120 |
Медь | 200-250 | Золото | 120 |
Магний | 120-200 | Олово | 27 |
Серебро | 150 | Свинец | 18 |
По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:
Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.
Таблица 11. Пластичность металлов
Металл | Относительное удлинение, % | Металл | Относительное удлинение, % |
Золото | 65 | Титан | 50 |
Серебро | 65 | Олово | 40 |
Свинец | 65 | Алюминий | 30-40 |
Медь | 50-60 | Цинк | 30 |
Железо | 40-50 | Магний | 10-22 |
Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.
Таблица 12. Твердость металлов
Металл | НВ | Металл | НВ |
Титан | 160 | Алюминий | 16-25 |
Железо | 70-80 | Серебро | 25 |
Магний | 30-40 | Золото | 18 |
Медь | 40 | Олово | 5 |
Цинк | 33 | Свинец | 4 |
Таблица 13. Модуль Юнга металлов при 20 oС
Металл | Е * 10-5, МПа | Металл | Е * 10-5, МПа |
Железо | 2,17 | Золото | 0,83 |
Цинк | 1,30 | Алюминий | 0,72 |
Медь | 1,25 | Олово | 0,55 |
Титан | 1,08 | Магний | 0,45 |
Серебро | 0,83 | Свинец | 0,18 |