ПРОЧНОСТЬ

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

В зависимости от материала, вида напряжённого
состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (темп-pa,
время действия нагрузки и др.) в технике приняты различные меры П. (предел
текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.).

Разрушение твёрдого тела - сложный процесс,
зависящий от перечисленных и мн. др. факторов, поэтому технич. меры П.-
условные величины и не могут считаться исчерпывающими характеристиками.

Физическая природа прочности. П. твёрдых
тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами и
ионами, составляющими тело. Эти силы зависят гл. обр. от взаимного расположения
атомов. Напр., сила взаимодействия двух соседних атомов (если пренебречь
влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояний между ними (рис.
1). При равновесном расстоянии rнм (1 А) эта сила
равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются,
при больших - притягиваются. На критич. расстоянии r притяжения по абс. величине максимальна и равна Fпри растяжении цилиндрич. стержня с поперечным сечением Sсила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на
данную пару атомов внешняя сила превосходит макс. силу притяжения FT, то
последние 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
силу, превосходящую FT. Напряжение, отвечающее силе Fтеоретич. прочностью на разрыв оЕ-
модуль
Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке
Р*,
к-рой
соответствует напряжение o=P*/S, в 100-1000 раз меньшее oРасхождение 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 о способствуют термич. флуктуации.
Если
на участке поверхности S малых размеров (по значительно превышающем сечение
одного атома) локальное напряжение окажется больше о,
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 rна 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. r, на атомы
у края трещины действует напряжение, превосходящее орастёт дальше по всему сечению тела с большой скоростью - наступает разрушение.
r определяется из условия, что освободившаяся при росте
трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование
новой поверхности трещины: r2 (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 rэнергию у должна быть включена работа пластич. деформации у^p,
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

где tпериоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10^-12 сек),
энергия
Uблизка
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 oобразец 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 r.
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 r. 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,
o2 (1 кгс/мм² = 10 Мн/м²)

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. означениях 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. о
= 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 оих 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.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я