ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Роль внешней нагрузки во флуктуационном механизме разрушения. Физический смысл коэффициента из "Кинетическая природа прочности твердых тел" До сих пор мы в общей форме говорили об энергии активации разрушения как о потенциальном барьере /о, снижаемом внешним напряжением до величины (о) = — уа. Теперь попытаемся несколько конкретизировать вопросы взаимодействия внешней нагрузки с телом и обсудить смысл коэффициента у, опираясь на экспериментально полученные (гл. II) значения коэффициента и его поведение при изменении состояния тела. [c.130] Для оценочного подсчета в согласии с [6, 21] примем, что Аг равно величине межатомных расстояний б. Далее, если / — сила, приложенная к атому, то ее можно выразить через напряжение (Та, действующее на площадь поперечного сечения атома 5а Оа = //5а. ОтСЮДа / — СТа5а. [c.130] В грубом приближении ) пропорционально действующей непосредственно на атом силе, причем коэффициент пропорциональности имеет величину порядка объема атома. [c.131] Различие этих двух выражений заключается в том, что в одном из них фигурирует среднее напряжение, приложенное к телу, а в другом — напряжение, действующее на атом. [c.131] В принципе возможно, что оба напряжения могут оказаться равными (оа==сг). Это может иметь место в идеализированном теле, где все межатомные связи напряжены одинаково за счет равномерного распределения внешней нагрузки. Для этого случая экспериментально определенное значение коэффициента у должно быть равным объему атома. Поскольку объемы разных атомов близки друг другу и равны примерно 10 2з сл , следует ожидать, что и коэффициенты у для различных тел идеального строения будут приблизительно одинаковыми, равными примерно 10 см . Можно было бы ожидать, что y здесь не будут зависеть и от состояния твердого тела. [c.131] Как видно, коэффициент у во всех случаях значительно превышает величину 1 а. Отношение величин ylVa = д приведено в последнем столбце таблицы. [c.131] Эти соотношения ведут к важным выводам о ходе разрушения в теле. Действительно, если они справедливы, то следует сделать вывод, что разрушение носит локальный характер. В областях с повышенным напряжением, по сравнению со средним, и будет происходить ускоренный ход разрушения, и именно эти области определяют прочность тела. [c.132] однако, что окончательное доказательство справедливости подобных предположений требует прямых опытов, в которых было бы показано наличие больших локальных напряжений на межатомных связях. Такие доказательства для полимеров будут приведены в гл. IV, где обсуждаются результаты прямого изучения методом инфракрасной спектроскопии распределения напряжений в нагруженном теле по атомным связям. Прямое доказательство тем более необходимо, что рядом авторов высказываются предположения и об иной трактовке причин высоких значений у [190]. Предполагается, что флуктуационный объем значительно превышает объем атома, и соответственно этому величина д может мало отличаться от единицы. Для металлов и кристаллов также еще необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, обязаны ли высокие значения у большим значениям коэффициента перенапряжения д или большому активационному объему. В дислокационной теории механических свойств кристаллов, как известно, развиваются представления о флуктуационных объемах, значительно превышающих (на порядок и более) объем отдельного атома [241—245]. [c.133] Обратимся теперь к попыткам объяснить другое важное и, казалось бы, не очевидное свойство коэффициента у. [c.134] Как следует из данных по изучению долговечности тела при различных напряжениях и температурах (гл. II), коэффициент у оказывается постоянной величиной для всего семейства зависимостей IgT(o) (всего веера ). Собственно, коэффициент у и вычисляется как характеристика всего этого семейства. [c.134] Если неизменность энергии активации i7o для всего семейства легко понять, так как при всех условиях испытания разрываются одни и те же связи, то вопрос о постоянстве у. менее очевиден. [c.134] Прежде всего требуется уяснить смысл коэффициента у для отдельного образца. При трактовке y как коэффициента перенапряжений следует иметь в виду, что он не сохраняется постоянным в течение всего времени испытания данного образца на долговечность. Действительно, даже простой учет выбывания из строя межатомных связей за счет их разрыва приводит к выводу об увеличении нагрузки на остающиеся, т. е. к выводу о возрастании напряжения на них при постоянном среднем напряжении в образце, что эквивалентно увеличению коэффициента перенапряжения на разрываемых связях с момента приложения нагрузки вплоть до разрыва образца. Анализ такого явления, как рост трещины, также приводит к выводу об изменении (как правило — возрастании) напряжений в вершине трещины по мере ее прорастания через сечение образца (см. гл. V). [c.134] Состояния с большими, чем утш, значениями у в силу экспоненциальной зависимости скорости флуктуационного процесса разрушения от у не вносят существенного вклада в общий баланс долговечности. [c.135] Переменность коэффициента д во времени, а следовательно, и V, естественно связывать с ростом дефектов, а также со структурными изменениями, происходящими в теле в местах, где развивается разрушение, т. е. с деформационными процессами, ведущими к упрочнению за счет образования дислокационных блоков Б кристаллах или за счет ориентационной вытяжки в полимерах. Как известно [62, 241—245, 247—249], процесс структурных изменений (деформационные процессы и упрочнение) развивается в теле в основном на начальной стадии ползучести, занимающей незначительную долю времени от всей долговечности. Естественно поэтому предположить, что и состояние с минимальным значением утш достигается вскоре после приложения нагрузки, т. е. в начальный период развития разрушения. На установившейся же стадии ползучести у вольно долго сохраняет близкое к минимальному значение и начинает вновь увеличиваться только к концу процесса, соответствующему так называемой третьей стадии ползучести. [c.135] Тот экспериментальный факт, что коэффициент определенный из данных о долговечности, оказывается одинаковым для образцов, испытанных при разных условиях (разных о и Г), свидетельствует о том, что при всех этих условиях структурные изменения в теле, происходящие на начальной стадии процесса, приводят к одинаковым локальным перенапряжениям в местах, где развивается разрущение (например, в верщинах образовавшихся к этому периоду трещин). Свойство материалов сохранять постоянной картину распределения напряжений, т. е. коэффициент Y, в достаточно широкой области напряжений и температур упрощает физический анализ процесса разрушения. Этим мы и будем пользоваться в дальнейшем. Подтверждение изложенных соображений о причинах постоянства у при изменении условий испытания, основанное на прямом исследовании структурных изменений в теле под нагрузкой методами рентгеноструктурного анализа, приводится в гл. V, 6. Более сложные случаи разрущения, когда у изменяется при изменении условий испытания, рассматриваются в гл. VI. [c.136] Иначе говоря, разрывное напряжен1 е а и коэффициент y обратно пропорциональны друг другу. [c.136] По отношению к коэффициенту у как прочностной характеристике можно говорить и о предельном, теоретическом, значении в том же смысле, как это ранее говорилось о теоретической прочности. Очевидно, предельное минимальное значение у отвечает случаю отсутствия перенапряжений в теле, т. е. равномерному распределению напряжений по всем межатомным связям тела. [c.137] После изложенных в начале параграфа рассуждений ясно, что это будет соответствовать близости коэффициента у по величине объему атома (или сравнимой с ним величине). [c.137] Таким образом, и на языке кинетических представлений о разрушении путь к достижению теоретической прочности тела — это путь ликвидации в теле концентраторов напряжений. [c.137] Использование на этом важном пути новой, физически осмысленной кинетической характеристики — коэффициента у, позволяющей более объективно оценивать перенапряжение в теле и этим характеризовать его прочностные свойства, должно сыграть положительную роль. [c.137] Вернуться к основной статье