ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Тепловые флуктуации и их роль в процессе разрушения. Обсуждение смысла величин то из "Кинетическая природа прочности твердых тел" Изложенные в предыдущей главе экспериментальные данные о температурно-временной зависимости прочности твердых тел дают достаточное основание для развития представлений о термофлуктуационной природе разрущения и для формулирования основных положений кинетической концепции прочности. Эти представления и положения высказывались, обсуждались и совершенствовались, начиная со сравнительно давних публикаций, а также формулировались с различной степенью детальности в большинстве экспериментальных работ последних лет, цитированных в гл. П. [c.108] Излагая выше фактический материал о зависимости долговечности X от напряжения а и температуры Т, мы опускали пока рассуждения, приводившиеся в соответствующих экспериментальных работах, обосновывающие справедливость представлений кинетической концепции прочности. Цель настоящей главы — подытожить те выводы, к которым пришли исследователи пока только на основании феноменологического изучения функциональной связи т, ст и 7 , и сформулировать основные положения кинетической концепции прочности, к которым привели исследования долговечности твердых тел под нагрузкой. Именно результаты обсуждения физического смысла эмпирической формулы для долговечности послужили основой при постановке дальнейших экспериментов с использованием прямых методов для проверки и развития представлений о термофлуктуационной природе разрушения (см. гл. IV, V). Этот анализ явился основой и для проведения теоретических исследований по созданию кинетической теории разрушения твердых тел (см. гл. VII). [c.108] Анализ формулы (4) с учетом экспериментальных данных о свойствах входящих в нее параметров То, Uo и у позволяет вскрыть физический смысл этой эмпирической зависимости и сформулировать ряд общих выводов о природе процесса разрущения твердых тел. [c.109] Весьма важным для последующего анализа является и вывод о необратимости процесса разрушения, вытекающий из результатов опытов, описание которых приведено в 10 гл. И, а также тот факт, что временная зависимость прочности не является следствием только лишь влияния окружающей среды. [c.109] Последовательность проведения анализа результатов экспериментального изучения о временной зависимости прочности твердых тел в настоящей главе соответствует перечисленному выше порядку отправных пунктов для этого анализа. Вначале ( 1) рассматривается, какая информация может быть извлечена из общего вида уравнения (4), затем уже анализируются выводы, которые вытекают из экспериментальных данных о свойствах параметров этого уравнения выводы из свойств то — в 2, из свойств и о — в 3, и, наконец, из свойств у — в 4. В заключение ( 5) подводятся итоги анализа физического смысла уравнения (4) и входящих в него коэффициентов. [c.110] Следует обратить внимание на то, что напряжение и температура входят в этот множитель равноправным образом . Как а, так и Т стоят в показателе экспоненты. Это значит, что можно изменить долговечность тела под нагрузкой на много порядков не только варьированием о, но и соответствующим изменением Т. [c.110] Поскольку температура является мерой интенсивности теплового движения атомов в теле, то при анализе смысла формулы для долговечности уже с самого начала можно сделать вывод, что в процессе механического разрушения твердых тел тепловое движение играет по крайней мере такую же важную роль, как и нагрузка. [c.110] Действительно, множитель типа ехр У/кТ) (или обратная величина ехр(—и/кТ)), носящий название фактора Больцмана, широко используется для описания различных термофлуктуа ционных процессов. Этот фактор управляет ходом таких процессов, как испарение, диффузия, развитие химичесих реакций и т. д. Тот факт, что и механическое разрушение тел управляется тем же фактором, имеет большое значение для понимания физической природы прочностных свойств. Это позволяет выяснить то общее, что лежит как в основе процесса разрушения, так и перечисленных выше кинетических процессов. [c.111] что объединяет эти явления, служит неравномерность распределения тепловой энергии между атомами тела (атомно-молекулярной системы), порождаемая хаотичностью теплового движения. Наличие в теле определенного числа атомов с повышенной энергией позволяет развиваться процессам, которые были бы немыслимы, если бы энергия была распределена равномерно и все атомы обладали бы средней сравнительно низкой энергией. [c.111] Атомы с избыточной энергией называют активированными, а процессы, ими обусловленные, — активационными (или термоактивационными). [c.111] Подробнее вопрос о физическом смысле i/o в формуле для долговечности рассматривается в 2, 3. [c.112] Развивая идеи Больцмана, Я. Й. Френкель в своих работах детализировал характер теплового движения атомов в конденсированных системах (твердых телах и жидкостях) и предложил весьма наглядную картину поведения отдельных атомов в системе [20, 21]. При анализе смысла формулы для долговечности мы воспользуемся представлениями Френкеля. [c.112] По Френкелю картину теплового движения атомов в твердых телах можно представить следующим образом. [c.112] При заданной температуре тела Т каждый атом в нем находится в потенциальной яме , образованной взаимодействием данного атома с соседними. Большую часть времени атом проводит вблизи дна ямы , где он совершает сравнительно малые колебания. Средняя энергия Яср этих колебаний на одну степень свободы атома равна кТ. Период таких колебаний Та близок по величине к 10 сек и сохраняется с точностью примерно до одного порядка одинаковым для всех твердых тел (и жидкостей) в широком диапазоне температур. [c.112] Сравнение выражений для Тфл и А/фл показывает, что даже при условии, когда отношение EфJE p всего в несколько раз превышает единицу, А фл Тфл, т. е. флуктуации данной величины представляют собой сравнительно редкие, но острые всплески энергии. Схематически следование во времени флуктуации данной величины Ефл на некотором атоме показано на рис. 51. [c.113] Эту форму истолкования Тфл мы используем ниже при интерпретации основной формулы для долговечности. [c.114] Под действием энергетической флуктуации атом возбуждается и поднимается над дном потенциальной ямы. Если флуктуация энергии достаточно велика, то атом может достичь краев ямы и высвободиться из нее, изменив свое положение относительно соседей. Очевидно, что если потенциальный рельеф вокруг атома имеет разную высоту относительно дна ямы в разных направлениях, то данная флуктуация может оказаться достаточной для изменения положения атома только в определенном направлении, так как эффективность флуктуации определяется соотношением ее энергии и высоты потенциального рельефа и, который препятствует тому или иному изменению положения атома. Чтобы изменить положение атома, необходима флуктуация с энергией не меньшей, чем высота потенциального барьера, т. е. фл И. [c.114] Рассмотрим теперь с этих позиций механизм разрушения твердых тел. [c.114] Будем считать, что вероятность возникновения флуктуации на атомах одинакова как в ненагруженном, так и в нагруженном теле. Однако последствия флуктуаций и вызываемые ими макроскопические явления будут зависеть от наличия напряжений. [c.114] Вернуться к основной статье