Феодосьев В.И (823545), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В то время нельзя было бы точно определить и их диаметр. Но, экстраполируя зависимостьвременного сопротивления в область малых диаметров, Гриффитс пришел к выводу, что, судя по ходу кривой, есть надеждадля очень тонких нитей получить ав.р около 11000 МПа, в товремя как расчетная предельная прочность стекла составляетпримерно 14000 МПа.В основе хрупкого разрушения, как мы уже знаем, лежитсоотношение между напряжением и размером трещины (см.выражение (8.12)).
В крупных образцах статистически преобладают соответственно и более крупные трещины; в тонкихнитях им попросту нет места. Появись там такая трещина,и не существует нити. Даже просто выбирая из множестваобразцов 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 прикасаясьпальцами к заготовленной нити, мы можем резко снизить еепрочность.
Невидимая острая пылинка минерального происхождения, застрявшая в кожном покрове, способна нанести ейроковые поверхностные повреждения. С помощью электронного микроскопа уже фотографировали ветвистые царапинытакого рода и возможность их возникновения не подвергаетсясомнениям.373Есть 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 себянет-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 соседниминитями или с окружающими предметами.За последние десятилетия было выполнено много работ впопытках приблизиться к предельной прочности; и не толькосо стеклом, но и со многими другими материалами, в том числе и с металлами.
Вытягивали из расплава нити, выращивали идеальные нитевидные кристаллы, были созданы приборыдля испытания на прочность микрообразцов длиной менее миллиметра. Возможность приближения к предельной прочностиподтверждалась, волновала и вселяла радужные надежды. Нопо мере накопления знаний, как всегда, начинали брать верхреалистические 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 названныхкачествах.И еще один вопрос.
Если предельная прочность для основных конструкционных материалов количественно составляетпримерно десятую часть модуля упругости, то это значит, чтов эксплуатационных условиях все конструкционные материалы будут иметь деформации, приближающиеся к 10 %. Каквидим, повышая максимально прочность, мы весьма заметнотеряем в жесткости. Сможет ли, например, легкий и весьмапрочный коленчатый вал двигателя нормально работать, есливозникающие в нем деформации измеряются несколькими процентами.Таким образом, для практических целей важна не толькопредельная прочность. Есть еще ряд механических характеристик, как самостоятельных, так и связанных с прочностью.И их необходимо принимать во внимание.374Сейчас 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 создатьеще какие-то формы рассеяния энергии, препятствующие распространению трещин.Находкой нашего века явилось создание микронеоднородных структур - композитов, где развитию трещин поставлензаслон в виде высокопрочных волокон.
Матрица прочно связана с нитями, и развивающаяся трещина не может их обойти ине может продвинуться дальше, не разрушив их. Это все равно, что попробовать расколоть полено, предварительно вбив внего 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-новомуосмыслить наше отношение ко многим материалам, казавшимся прежде ни к чему не пригодными из-за своей хрупкости.
Инаглядным примером тому является, прежде всего, то же самоестекло, о котором мы только что говорили. Следом за стекломпошли в дело и высокопрочные, но чрезвычайно хрупкие минералы, лежащие буквально у нас под ногами. Конечно, с ниминеобходимо было поработать.Чтобы представить потенциальные возможности различных веществ, составляющих композиционные структуры, нетнеобходимости вчитываться в подробнейшие справочные таблицы, где приводится множество механических характеристик.
Достаточно выделить главные. А главным в данномслучае для каждого вещества является его модуль упругости.От него зависит и жесткость, и предельная прочность. Необходимы еще такие характеристики, как температура плавленияи плотность. В то же время нет нужды особо фиксировать375свое внимание на реальном пределе прочности.
Он изменяется в широких пределах в зависимости от фазового состава иметодов технологической обработки.В табл. 8.1 приведены перечисленные характеристики длятрех групп конструкционных материалов. Первые две - металлы и полимеры. Третью группу образуют неорганические инеметаллические вещества, для обобщения часто называемыекерамикой. С последней их роднит минеральное происхождение и высокая температура обработки. В последнем столбце таблицы приведена относительная жесткость, т.е. отношение модуля упругости к плотности вещества.
Для наглядности удельная жесткость каждого вещества отнесена к удельнойжесткости железа.Относительная жесткость металлов, как видим, изменяется в достаточно узком интервале. Исключение составляетниобий. Он имеет очень низкую удельную жесткость. В обратную сторону резко выделяется бериллий, и к нему в последнеевремя приковано серьезное внимание в авиационной и ракетнокосмической технике.
Есть надежда, что прочность нитей бериллия можно будет поднять переводом в аморфное состояние.И все было бы хорошо, но беда заключается в токсичностибериллия, и это заставляет принимать специальные меры безопасности в цехах по его обработки. Пока неизвестно, чтовозьмет верх - преимущества или недостатки.Полимеры делят на две подгруппы: аморфные - эпоксидные смолы и оргстекло, и не столь широко известные кристаллические полимеры.
Первые используются в качестве связующего. Кристаллические же полимеры имеют высокую удельную жесткость и прочность, что позволяет создавать на ихоснове специальное органоволокно.И, наконец, третью группу образуют неорганические и неметаллические вещества. Высокая удельная жесткость, жаростойкость, неокисляемость оксидов (им больше некуда окисляться), твердость и дешевизна дают право надеяться на широкое применение этих материалов. Громкие названия “сапфир”, “гранат” не должны тревожить наше воображение. Это- очень распространенные па Земле минералы, недефицитные376Таблица 8.1. Характерные свойства конструкционныхматериаловВеществоЕ (Е\~'°Cг/см3Е,ГПаЖелезо15367,87200500 - 15001Магний6501,7445200 - 15001,02Алюминий6602,7071300 - 6001,03Титан16654,50100600 - 12000,87Никель14558,9200—0,88Молибден262010,2330—1,27Вольфрам340019,34101200 - 24000,84Бериллий12871,85240300 - 6005,70Ниобий24158,5782500 - 10000,38^ПЛ )°в.Р1МПаПолимеры7 иЛ.0, 02-аморфные~ 1, 50,5-510 - 100100-2000-- 1,5-120-3000~ 2,63,97400*3003,96Полимерыкристаллические-0,1Сапфир АЬОз2046Гранат AlfiYaOjj19504,55330200 - 20000"2,85MgO18703,65290500‘; 1000"3,13Рутил ТЮ218704,24290*1002,69SiC26003,2450~ 3000**5,53в.
с24702,5450~ 3000**7,08Si3N<18003,247Бороволокно23002,7400Углеволокно—1,7 -2,2300--500500 - 1000"~ 3000**2000-0,585,835-9**-3000Поликристаллы. *’ Волокна.377и дешевые. Что же касается бороволокна и углеволокна, тоони уже давно внедрены в практику.Теперь естественным будет вопрос, какие же пары (илитройки) перечисленных веществ следует объединять в композиты. Вопрос резонный, а главное, естественно вытекающийиз исторически сложившихся представлений о производственном процессе. Но ответить на него непросто.Композит - это не совсем материал. Это - часть конструкции, выполняющая функции материала и отвечающая на вопрос: “Из чего сделано?” Композит заставляет пересмотретьнаше отношение не только к веществам, но и к производственному процессу в целом.Из названных в табл. 8.1 веществ не представляет особого труда изготовить множество самых разнообразных образцовкомпозитов - прутков, плоских монослоев или трубок.
Можно,например, сделать образец молибдена с сапфировыми нитями,хотя молибден и более тугоплавок, чем сапфир. Такие образцыможно испытывать, определять их модули упругости и пределпрочности. Существует специальная литература по вопросамиспытания композитных образцов, по приближенным и уточненным способам расчетного определения прочности и жесткости композитов по характеристикам составляющих.Но в том-то и дело, что создать образцы композита и изготовить из композита деталь машины - далеко не одно и тоже. Композит нельзя изготовить заранее.
Его готовят вместе сдеталью и, создавая его, образуют деталь. Поэтому на вопрос,какие же комбинации из упомянутых веществ следует предпочесть, ответ может быть только один: такие, которые позволяют изготовить эту деталь и к тому же могут обеспечить еевысокое качество. Вопрос слишком общий, чтобы можно былодать на него определенный ответ. Все зависит от способа изготовления (если он существует), особенностей детали, условийпроизводства.Композиты открывают перед инженером окно в новыймир, где нельзя быть только материаловедом или только механиком. Для композитов нужен широкий кругозор механика,материаловеда, физика и технолога.378Глава 9ТОЛСТОСТЕННЫЕ ТРУБЫ9.1. Основные уравнения для толстостеннойтрубыВ технике для удержания высокого давления приходитсяиметь дело с толстостенными сосудами.
Обычно это - цилиндр, внешний диаметр которого в несколько раз превышаетвнутренний.Задача определения напряжений в таком цилиндре заметно сложнее, чем в тонкостенных сосудах, и одними только уравнениями равновесия обойтись не удается. Приходитсятакже рассматривать возникающие в цилиндре перемещения.Эту задачу называют задачей Ламе но имени французскогоученого, работавшего в 20-х годах прошлого столетия в Петербургской Академии наук.Рассмотрим однородное тело цилиндрической формы(рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
