В. И. Феодосьев - СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ (995486), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Поэтому, если обраткться к числовым значениям, следует привести только некоторые ориентировочные данные. Например, дюраль и мартенснтная сталь относятся к вязким материалам: К, = 110 МПа м1~~, для меди и титана К, = 90 МПа м1~1, а эпоксидная смола имеет низкую вязкость: 2 МПа м111 Анизотроцные композиционные материалы соответственно обладают н анизотропией вязкости. Углепластик обнаруживает вязкость вдоль и поперек волокон соответственно 2 н 105 МПам1/2. Причем поперечнал 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 прн известном показателе К, и по замеренной длине трещины указать уровень попустимого напряжения. 8.5. О новых материалах Естественно, что при поиске новых материалов исследователи обращают главное внимание на показатели прочности. Вернемся к З 1.8, гне был приведен упрощенный расчет предельной, илн идеальной прочности. Это прочность, определяемая силами молекулярного сцепления, свойственного данному материалу, когда все молекулярные связи воспринимают нагрузку в максимальной степени.
Предельная прочность, выраженнал 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 особенностей 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 своей необычайной хрупкостью уже настолько себя скомпрометировало, что только усилием воли можно заставить себя смотреть на него как на полезный конструкционный материал даже сейчас, когда мы знаем, как много высокопрочных конструкций создано на, базе стекловолокна. 372 Стекло цри испытании на растяжение показывает обычно значение пв р ж 120...150 МПа. Но если вытягивать из него на горелке все более и более тонкие образцы, то обнаруживается характерная зависимость: до 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 пв,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, Гриффитс изготовить не смог. В то время нельзя было бы точно определить и их диаметр. Но, экстраполируя зависимость временного сопротивления в область малых диаметров, Гриффнтс пркшел к выводу, что, судя по ходу кривой, есть надежда для очень тонких нитей получить пв. около 11000 МПа, в то время как расчетная предельнэл 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 обрээпах статистически преобладают соответственно и более крупные трещины; в тонких нитях им попросту нет места. Появись там такал трещина, и не существует нити. Лаже просто выбирал нз множества образцов более тонкую нить, мы тем самым вместе с исключаемымн более крупными образцамн исключаем н 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" н, 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 н возможность их возникновения не подвергается сомнениям. зтз Есть еще одна причина образования микротрешкн в стеклянных нитях. Стекло не имеет кристаллической структуры, но некоторую склонность кристаллизоваться в твердом состоянии все же сохраняет. И порой зта склонность может себя нет-нет да и проявить. Начало же всякой кристаллизации связано с местным изменением объема.
Возникает микротрешина, что и проявляется в том, что выцержка нити снижает ее прочность так же, как и неизбежное соприкосновение с соседними нитями или с окружающими предметами. 3а последние десятилетия было выполнено много работ в попытках приблизиться к предельной прочностк; к не только со стеклом, но и со многими другими материалами, в том числе и с металлами. Вытягивали из расплава нити, выращквалн идеальные нитевидные кристаллы, были созданы приборы для испытания на прочность мнкрообразцов длиной менее миллиметра.
Возможность приближения к предельной прочности подтверждалась, волновала и 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 еше один вопрос.
Если предельная прочность для основных конструкционных материалов количественно составляет примерно десятую часть модуля упругости, то зто 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 несколькимн процентами. Таким образом, для практических целей важна не только предельная прочность.
Есть еще ряд механических характеристик, как самостоятельных, так и связанных с прочностью. И их необходимо принимать во внимание. 374 Сейчас в практику машиностроения внедрено много высококачественных и прочных металлов к металлических сплавов. Но все металлы без исключения обладают одной характерной и вместе с тем неприятной особенностью.
С повышением прочности нх 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 еше какие-то формы рассеянкя энергии, препятствующие распространению трещин. Находкой нашего века явилось создание микронеоднородных структур — композитов, 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 компознтов не только в этом. Чрезвычайно важно, что композиты заставили по-новому осмыслить наше отношение ко многим материалам, казавшимся прежде ни к чему не пригопными из-за 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 возможности различных веществ, составляющих композиционные структуры, нет необходимости вчитываться в подробнейшие справочные таблицы, где приводится множество механических характеристик.,достаточно выделить главные. А главным в данном случае для каждого вещества является его модуль упругости.
От него зависит к жесткость, и предельны прочность. Необходимы еше 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
