Большая Советская Энциклопедия (ПР)

  В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (температура, 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 многих др. факторов, поэтому технические 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 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 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 / 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 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)