 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Поняття про структурно-механічні властивості
|
|
Найважливіші властивості фізичних тіл, насамперед твердих тіл, їх механічні властивості: в'язкість, пружність, пластичність, міцність. Вони визначають здатність тіл чинити опір руйнуванню під дією зовнішніх сил і є найбільш загальними і характерними властивостями твердих тіл, завдяки чому їх можна використовувати як будівельні і конструкційні матеріали. Механічні властивості твердих тіл безпосередньо зв'язані з їх будовою – структурою тіла, діючими у ньому молекулярними силами зчеплення і особливостями хаотичного теплового руху.
Саме через тісний зв'язок зі структурою тіл деякі механічні властивості часто називають структурно-механічними. Структура твердого тіла залежить не тільки від характеру кристалічних решіток кожного окремого його зерна – монокристалу (кристаликів), розподілу кристаликів за розмірами, від умов їх зрощення і взаємного розташування, а також від пористості тіла.
У поняття будови твердого тіла варто включити розподіл у ньому різних дефектів. Ці дефекти безупинно розвиваються при деформуванні твердого тіла та впливом зовнішніх сил. Під навантаженням у тілі виникають напруги, ріст яких приводить до зниження його однорідності (збільшення в ньому дефектів) та руйнуванню (розриву суцільності). При напруженнях, близьких до границі міцності, неоднорідність тіла найбільша і наростає подібно лавині при розриві.
Для кристалів характерний далекий порядок – на будь-якій відстані від довільно обраного вузла, зайнятого атомом чи групою атомів, існує правильне чергування інших подібних атомів чи груп на однакових відстанях. Це правильне чергування порушується тільки хаотичним рухом (таке порушення строгої правильності ідеальних кристалічних решіток у реальних кристалах розподілено рівномірно (статистично) і не залежить від відстані до даного атома).
На відміну від кристалів у рідинах при практично тій же середній
густині розподілу речовини далекий порядок відсутній. Є тільки ближній порядок, тобто правильність розташування молекул чи атомів у безпосередній близькості від даної центральної молекули, що різко порушується з
відстанню.
Просторові коагуляційні структури, що утворені молекулярним зчепленням безладно розташованих колоїдних часточок, наприклад, у гелях, не виявляють далекого порядку, властивого кристалічним тілам, хоча кожна часточка як елемент такої просторової структури може бути кристаликом малих колоїдних розмірів від 1 до 0,001 мкм. Характерно, що безладність структури – відсутність у ній далекого порядку розташування структурних елементів – завжди приводить до значного підвищення міцності.
Справді, в окремих кристалах можуть бути яскраво виражені площини спайності, наприклад, у графіті, слюді, гіпсу, кам'яній солі, кальциті. Перпендикулярно до цих площин кристал має найменшу міцність на розрив, тому що відстань між ними в ґратах значно більша, ніж між будь-якими іншими площинами. У той же час площини спайності і площини ковзання перестають діяти в дрібнокристалічних тілах з безладно розташованими відносно один одного зрослими кристаликами, а для скла ці причини зниженої міцності зовсім не властиві.
Ще Максвелл більш 120 років тому, ґрунтуючись на уявленнях про релаксацію (процес переходу від нерівноважного стану до рівноважного), вважав, що немає принципових розходжень у механічних властивостях рідин і твердих тіл.
Релаксація у загальному розумінні – це перехід системи з нерівноважного до рівноважного стану. Релаксація у реологічному плані - це процес зниження напруження у системі при постійному рівні деформації. Релаксація більшою чи меншою мірою властива усім тілам. Достатньо згадати послаблення натягу гайки у часі і необхідність її довірчувати. На молекулярному рівні релаксація - це перехід молекул з напруженого до ненапруженого стану. Перехід здійснюється тим швидше, чим менше розміри молекул (у низькомолекулярних рідинах швидше, ніж у високомолекулярних сполуках) та більше вільний об'єм.
Кількісно закон змінювання напружень (σ) при ε = соnst може бути виведено з рівняння, яке записується у похідних (6.1):
(6.1)
та за умови ε = соnst, тобто 
, диференційне рівняння розв’язується відносно σ
(6.2)
де: Е – модуль пружності; η – в’язкість.
Звідси при t → 0, σ →σ0, при t → ∞., σ → 0.
Графічно релаксація напружень ілюструється залежністю рис. 6.1.
Процеси релаксації, як і процеси дифузії, нерозривно зв'язані з хаотичним тепловим рухом часточок, що утворюють тіло, - його молекул. Як і сам тепловий рух, релаксація – це універсальний самовільний процес, що протікає у всіх реальних тілах без усякого зовнішнього впливу. Суть лише в тому, що період релаксації (час, протягом якого напруження зсуву змінюється в е = 2,718… раз, позначається θ), чи час протягом якого пружне напруження спадає на визначену помітну величину, є різним у різних тіл. Якщо період релаксації θ дуже великий у порівнянні зі звичайним часом дії навантаження t ≪ θ, рідина поводиться як тверде тіло.
Рис. 6.1. Схема релаксації напруження за моделлю Максвелла: σ – напруження; t – час
Якщо ж, навпаки, період релаксації малий у порівнянні зі звичайним часом спостереження (t > > θ), наприклад, у порівнянні з однією секундою – найменшим часом візуального відліку τ > θ, дане тіло поводиться як рідина – пружні напруження швидко спадають до нуля за рахунок течії, що відбувається. Тобто спочатку викликана напруженням пружна деформація зсуву порівняно швидко перетворюється в залишкову, що зберігається після зникнення напруження і не потребує напруження для своєї підтримки.
Отже, період релаксації є основною константою, що поєднує властивості твердого тіла і рідини. Його можна знайти через в'язкість η і модуль пружності зсуву Е тіла (6.3, 6.4). Для цього вираз для пружної деформації зсуву ε, що пропорційна напруженню зсуву τ (закон Гука) (6.3) необхідно розділити на відповідну залежність (6.4) для швидкості деформації, яка також пропорційна напруженню зсуву (τ):
(6.3)
(6.4)
Тоді ліворуч одержимо величину розмірності часу t. Вона повинна бути константою, характерною для даного тіла, тому що дорівнює виразу праворуч, тобто відношенню двох констант – в'язкості h і модуля пружності Е. Це відношення і є періодом релаксації (6.5):
(6.5)
У будь-якій рідині, якщо час впливу на неї деформувальної сили значно менше періоду релаксації (пропорційного в'язкості), течія за цей час не встигає відбутися, і рідина поводиться як пружне тверде тіло (для води η = 0,01 Па·с, Е = 1011 МПа, θ = 10-13 с – час кроку при ході по воді не повинен перевищувати 10-13 с – тоді рідина поводиться як тверде тіло. При прострілі кулею струмінь легколеткої рідини розколюється крихко, як скляна паличка).
При довгостроково ж діючих силах пружні деформації не можуть бути виявлені, тому що вони, за влучним висловленням Я.І. Френкеля, маскуються течією рідини; установлюється в’язка течія з постійною швидкістю деформації, що пропорційна діючому напруженню зсуву.
Коефіцієнт пропорційності, зворотний в'язкості, чи періоду релаксації, називають течією даної рідини. Якщо зменшується деформація в часі – “відбувається ретардація деформації”.
Релаксацію напруження у часі звичайно визначають при 
а ретардацію знаходять при 
.
Закон релаксації можна описати за формулою (6.6):
(6.6)
де: σ – напруження в будь-який момент часу t; σ0 – початкові напруження в момент часу t = 0, коли 
.
При розрахунку теоретичної міцності передбачається, що кристалічна структура зовсім ідеальна, тобто в ній немає ніяких відхилень від правильного розташування атомів.
Насправді ж будь-яке тверде тіло містить багато різноманітних структурних дефектів, починаючи від перекручувань атомного порядку і кінчаючи дрібними тріщинами. Саме ці дефекти і знижують міцність реальних матеріалів у порівнянні з ідеальними.
Гріффітс у 1921 р. установив, що напруження σх, при досягненні якого тріщина починає швидко рости в довжину і приводить до руйнування зразка, зв'язана з довжиною початкової (зародкової) тріщини Х, поверхневою енергією σn і модулем пружності Е даного матеріалу (6.13):
(6.13)
З даного рівняння видно, що міцність тіла падає зі збільшенням довжини зародкових тріщин, а також зі зменшенням поверхневої енергії.
Теорія Гріффітса добре пояснює знижену міцність пружних тіл, але виявилася непридатною для матеріалів, що перед руйнуванням виявляють велику пластичну деформацію. Ця теорія має ще один недолік: вона виходить з існування у твердому тілі готових зародкових тріщин і зовсім не пояснює, яким чином могли з'являться такі тріщини.
Механічні властивості реальних металів сильно залежать від їх структури і у першу чергу від того, чи є зразок моно- чи полікристалом. Наприклад, монокристали мають високу еластичність 700-900 %, а для полікристалів εпл=20-30%.
Це зв'язано з тим, що в полікристалі окремі зерна не можуть деформуватися незалежно один від одного. Сусідні зерна будуть перешкоджати розширенню кожного окремого зерна. У результаті полікристали менш пластичні, ніж монокристали.
Важлива особливість реальних твердих тіл полягає в тому, що міцність залежить від часу дії навантаження і у ряді випадків різко падає зі збільшенням часу, що зв'язано з імовірністю розвитку небезпечних дефектів у тріщини розриву.
При малих напруженнях, що не перевищують міцності в просторовій структурі, спостерігається дуже повільна течія без помітного руйнування. Така течія є повзучістю – “кріпом” (від англ. “creep”– повзти).
Коефіцієнт повзучості (с) визначається за формулою (6.14):
(6.14)
де: s - напруження; ε – повна деформація.
Під дією постійного напруження швидкість повзучості не постійна; вона поступово загасає, знижуючись до нуля і визначається наявністю в тілі площин ковзання.
Утома – зниження звичайної (статичної) міцності під впливом періодичних навантажень і розвантажень з досить великою частотою. Такі періодичні впливи ніби «стомлюють» матеріал, приводячи до розхитування структури по більш слабких місцях – небезпечних дефектах і, таким чином, при зниженій міцності приводять до передчасного крихкого розриву навіть у пластичних металах, тому що залишкові деформації не встигають розвитися, як при «ударному» руйнуванні швидко наростаючої сили.
Утома характеризується витривалістю – числом N циклів навантаження при заданому напруженні s. Напруження sN, при якому відбувається руйнування матеріалу після заданого числа циклів, називається утомленою міцністю. Залежність між N і sN при s = const або у режимі між N і εN при ε = const звичайно виражають графічно у вигляді кривих втомлення. Часто ці залежності можуть бути виражені аналітично. Наприклад, для гум практично при всіх навантаженнях справедливе співвідношення (6.15):
(6.15)
де: s1 - руйнівне напруження при однократному навантаженні (вихідна міцність), β-емпіричний показник витривалості; для гум β = 2 – 10. Формулі (6.14) відповідає лінійність кривої втомлення в координатах lgN-lgs.
Характерним для міцності реальних тіл є так званий масштабний фактор (залежність міцності від розмірів тіла), тобто збільшення міцності зі зменшенням розміру. Чим менше розміри тіла, тим менше дефектів структури.
Явища тривалої та утомленої міцності залежать від впливу поверхнево-активного середовища.
Дата публикования: 2014-11-02; Прочитано: 685 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
