БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ПР)

Механизм разрушения. Зарождению микротрещин при напряжении ниже s tспособствуют термической флуктуации. 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 концентрация напряжений , 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 c определяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: r c» Е g / s 2(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 cв 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 фрактографией. 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 t 0— приблизительно равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10 -12 сек ), энергия U 0близка к энергии сублимации 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 s 0, выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение s 0можно считать пределом прочности (см. табл.).

Некоторые значения прочности на растяжение, s 0в кгс/мм 2(1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2)

Время t затрачивается на ожидание термофлуктуационного зарождения микротрещин и на их рост до критического размера r c.Когда к образцу прикладывают напряжение s , он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластической деформации, возникают большие локальные напряжения (в кристаллах в голове заторможенных сдвигов — скоплений дислокаций ). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (например, в некоторых ориентированных полимерах до 10 15трещин в 1 см 3). Однако при этом их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше r c . Трещины не растут, и тело не разрушается, пока случайно, например благодаря последовательному слиянию близко расположенных соседних микротрещин, одна из них не дорастет до критического 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 термических флуктуаций приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. s 0) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях s и Т. Вероятность встретить в образце «слабое» место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. (разрушающее напряжение) малых образцов (например, 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 пластической деформации. В кристаллических 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 теоретической П. s т = 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 s тзатрудняют зарождение микротрещин. Чтобы предотвратить их рост, материал должен быть достаточно пластичным. Тогда у вершины трещины необходимые для её роста высокие напряжения рассасываются за счёт пластической деформации. Сочетание высокой П. и пластичности достигается в сплавах термомеханической 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 механическом измельчении материалов требуется пониженная П. Она достигается воздействием поверхностно-активных сред (органические вещества, вода).