Феодосьев В.И. Сопротивление материалов (1075903), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Он указывает нижний предел вязкости, которой должен обладать материал, чтобы при напряжении о удержать от распространения трещину длиной с, если она краевая, или 2с, если она расположена в середине растягиваемой полосы. Вместо КС бывает удобнее пользоваться показателем вязкости К„который определяют из соотношения к, = А~с ю. (8.11) нли (8.12) Похазатель вязкости или, как еще его называют, трещиностойкости, определяют экспериментально путем испытания полосы с заранее сделанным острым надрезом. При нагружении замечают напряжение, прн котором от края надреза начинает распространяться трещина. Затем по формуле (8.12) определяют показатель К„имеющий не совсем обычную единицу измерения МПа м1/2.
Показатель вязкости, хотя и считается объективной энергетической характеристикой свойств материала, тем не менее зависит от условий испытания н определяется с широким разбросом. Поэтому, если обратиться к числовым значениям, следует привести только некоторые ориентировочные данные. Например, дюраль и мартенситная сталь относятся к вязким материалам: К, = 110МПам1/~, для меди н титана К, = 90 МПа м112, а эпоксидная смола имеет низкую вязкость: 2 МПа м1~~ Аниэотропные композиционные материалы соответственно обладают и анизотропией вязкости.
Углепластик обнаруживает вязкость вдоль и поперек волокон соответственно 2 и 105 МПа м~~г. Причем поперечная вязкость своим высоким значением целиком обязана созданной структуре композита, поскольку углерод (графит), как самостоятельно взятый материал, имеет примерно столь же низкую вязкость, что и эпоксидная смола. Показатель вязкости К, имеет значение не только как сравнительная характеристика различных материалов, но в некоторых случаях может оказаться полезным для оценки меры опасности обнаруженных контролем трещин в уже выполненных или создаваемых металлоемких сооружениях.
Эта возможность вытекает из выражения (8.12), которое позволяет при известном показателе К, и по эамеренной длине трещины указать уровень допустимого напряжения, 8.5. О новых материалах Естественно, что при поиске новых материалов исследователи обрашают главное внимание на показатели прочности. Вернемся к Э 1.8, где был приведен упрошенный расчет предельной,или идеальной прочности.
Это прочность,определяемая силами молекулярного сцепления, свойственного данному материалу, когда все молекулярные связи воспринимают нагрузку в максимальной степени. Предельная прочность, выраженная в напряжениях, как уже было выяснено, составляет, грубо говоря, одну десятую от модуля упругости (где больше, где меньше, в зависимости от характера химических связей и структурных особенностек материала). В принципе о существовании предельной прочности материалов физикам было известно очень давно.
Но только в 1920 г. инженер Гриффитс сделал попытку — причем успешную — практически приблизиться к предельной прочности. И в качестве модельного материала он избрал стекло. Надо сказать, что стекло в домашнем обиходе своек необычайной хрупкостью уже настолько себя скомпрометировало, что только усилием воли можно заставить себя смотреть па него как на полезный конструкционный материал даже сейчас, когда мы знаем, как много высокоцрочных конструкций создано на базе стекловолокна. Стекло при испытании на растяжение показывает обычно значение о - 120...150 МПа.
Но если вытягивать иэ него на горелке все более и более тонкие образцы, то обнаруживается характерная зависимость: по мере уменьшения диаметра образца временное сопротивление начинает возрастать; сначала незаметно, а затем, по мере дальнейшего утончения уже не прутка, а нити, все быстрее и быстрее. Так у Гриффитса и получилось. У нитей диаметром 2,5мкм ю,.р уже составило 6000 МПа. Это — если испытать нить сразу после изготовления. Если же повременить, то временное сопротивление снижается до 3500 МПа. Нити, более тонкие чем 2,5 мкм, Гриффнтс изготовить не смог. В то время нельзя было бы точно определить и их диаметр. Но, экстраполируя зависимость временного сопротивления в область малых диаметров, Гриффитс пришел к выводу, что, судя по ходу кривой, есть надежда для очень тонких нитей получить св ~ около 11000 МПа, в то время как расчетная предельная прочность стекла составляет примерно 14000 МПа.
В основе хрупкого разрушения, как мы уже знаем, лежит соотношение между напряжением и размером трещины (см. выражение (8.12)). В крупных образцах статистически преобладают соответственно и более крупные трещины; в тонких нитях им попросту нет места. Появись там такая трещина, н не существует нити. Даже просто выбирая из множества образцов более тонкую нить, мы тем самым вместе с исключаемыми более крупными образцами исключаем и более крупные трещины, и этой непреднамеренной селекцией обеспечиваем более тонким нитям более высокую прочность. Хочется добавить, что употребленное выше слово "выбирая" не следует понимать как "перебирая" и, тем более, "перекладывая". Надо иметь в виду, что даже лишь прикасаясь пальцами к заготовленной нити, мы можем резко снизить ее прочность.
Невидимая острая пылинка минерального происхождения, застрявшая в кожном покрове, способна нанести ей роковые поверхностные повреждения. С помощью электронного микроскопа уже фотографировали ветвистые царапины такого рода и возможность их возникновения не подвергается сомнениям. 373 Есть еще одна причина образования микротрещин в стеклянных нитях. Стекло не имеет кристаллической структуры, но некоторую склонность кристаллизоваться в твердом состоянии все же сохраняет. И порой эта склонность может себя нет-нет да и проявить.
Начало же всякой кристаллизации связано с местным изменением объема. Возникает микротрещина, что и проявляется в том, что выдержка нити снижает ее прочность так же, как и неизбежное соприкосновение с соседними нитями или с окружающими предметами. За последние десятилетия было выполнено много работ в попытках приблизиться к предельной прочности; и не только со стеклом, но и со многими другими материалами, в том числе и с металлами.
Вытягивали из расплава нити, выращивали идеальные нитевидные кристаллы, были созданы приборы для испытания на прочность микрообразцов длиной менее миллиметра. Воэможность приближения к предельной прочности подтверждалась, волновала н вселяла радужные надежды. Но по мере накопления знаний, как всегда, начинали брать верх реалистические соображения. Наверное, нам нужна не только прочность, но и надежность, которая находит свое выражение в достаточной вязкости материала, а может, и еще в каких-то пока не названных качествах. И еще один вопрос.
Если предельная прочность для основных конструкционных материалов количественно составляет примерно десятую часть модуля упругости, то это значит, что в эксплуатационных условиях все конструкционные материалы будут иметь деформации, приближающиеся к 10 % Как видим, повышая максимально прочность, мы весьма заметно теряем в жесткости.
Сможет ли, например, легкий и весьма прочный коленчатый вал двигателя нормально работать, если возникающие в нем деформации измеряются несколькими процентами. Таким образом, для практических целей важна не только предельная прочность. Есть еще ряд механических характеристик, как самостоятельных, так н связанных с прочностью. И их необходимо принимать во внимание. 374 Сейчас в практику машиностроения внедрено много высококачественных и прочных металлов и металлических сплавов. Но все металлы без исключения обладают одной характерной и вместе с тем неприятной особенностью. С повышением прочности их вязкость, как правило, падает. Оно и понятно.
Упрочняя материал путем легирующих добавок или термообработкой,мы в той или иной мере ограничиваем дислокационные перемещения, а они-то как раз и придают материалу вязкость, способствуют рассеянию энергии на фронте трещины. Значит, следует попытаться найти или искусственно создать еще какие-то формы рассеяния энергии, препятствующие расцространению трещин. Находкой нашего века явилось создание микронеоднородных структур — компоэитов, где развитию трещин поставлен заслон в виде высокопрочных волокон. Матрица прочно связана с нитями, и развивающаяся трещина не может их обойти и не может продвинуться дальше, не разрушив их.
Это все равно, что попробовать расколоть полено, предварительно вбив в него поперек хотя бы несколько гвоздей. Таким образом, обнаруживается путь повышения вязкости при высокой прочности. Но значение композитов не только в этом. Чрезвычайно важно, что композиты заставили по-новому осмыслить наше отношение ко многим материалам, казавшимся прежде ни к чему не пригодными из-эа своей хрупкости. И наглядным примером тому является, прежде всего, то же самое стекло, о котором мы только что говорили.
Следом за стеклом пошли в дело и высокопрочные, но чрезвычайно хрупкие минералы, лежащие буквально у нас под ногами. Конечно, с ними необходимо было поработать. Чтобы представить потенциальные воэможности различных веществ, составляющих композиционные структуры, нет необходимости вчитываться в подробнейшие справочные таблицы, где приводится множество механических характеристик. Постаточно выделить главные.
А главным в данном случае для каждого вещества является его модуль упругости. От него зависит и жесткость, и предельная прочность. Необходимы еще такие характеристики, как температура плавления и плотность. В то же время нет нужды особо фиксировать свое внимание на реальном пределе прочности. Он изменяется в широких пределах в зависимости от фазового состава и методов технологической обработки. В табл. 8.1 приведены перечисленные характеристики для трех групп конструкционных материалов. Первые две — металлы и полимеры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
