прочность

ПРОЧНОСТЬ

способность материала (или конструкции) сопротивляться внеш. мех. воздействиям, не деформируясь необратимо выше заданного предела, т. е. не разрушаясь (см. деформация механическая, Механические свойства). Понятие "П." относят не только к мех. разрушению (П. на разрыв), но также к разрушению под действием агрессивных сред (см. коррозия под напряжением), электрич. поля (пробой в диэлектриках), лазерного излучения. В данной статье рассматривается мех. разрушение, а именно П. на разрыв. В рамках механики сплошных сред П. рассматривается на основе представлений теории упругости и пластичности исходя лишь из энергетич. критерия разрушения и расчетов локальных перенапряжений вблизи полостей и трещин. Согласно этим представлениям, разрыв упругих тел (хрупкое разрушение) возможен, если количество упругой энергии, освобождающейся при росте трещины, достаточно, чтобы скомпенсировать затраты энергии на образование новой поверхности разрыва. Нормальные напряжения а вблизи вершины трещины м. б. рассчитаны по формуле:

где r — расстояние от конца трещины, К- т. наз. коэф. интенсивности напряжений, который зависит от формы и пластич. свойств материала. При некотором критич. значении К_кр трещина распространяется без дополнит. увеличения приложенного напряжения. Разрушающее напряжение σ_р для плоского напряженного состояния определяется формулой Гриффит-са:

где E — модуль Юнга, d-эффективная поверхностная энергия, l-критич. размер трещины. Для разрушения упруговязких (вязкоупругих) тел, в т. ч. полимерных, П. определяется условиями образования "шейки" на растягиваемом образце, т. е. условиями нарушения пластич. устойчивости (см. реология).

Совр. подход к изучению проблем П. учитывает атомно-мол. строение твердых тел. Данные об энергии межатомных связей и межмолекулярных взаимод. позволили рассчитать теоретическую П. твердых тел на разрыв, которая оказалась во много раз большей, чем измеряемая на опыте для реальных тел. Расхождение теоретической и практической II. объясняется наличием в телах особых участков — концентраторов напряжений (трещин), в которых возникают локальные перенапряжения при приложении к телу нагрузки. Бездефектные материалы обладают П., приближающейся к теоретической; таковы, напр., нитевидные кристаллы.

Кинетика разрушения. Физ. теории рассматривают деформирование и разрушение твердых тел как процессы, при которых в исходной структуре развиваются изменения под действием приложенной к телу нагрузки, а также происходят физ.-хим. превращения в поле мех. напряжений, вплоть до катастрофич. разрушения тела, в т. ч. возникновение, перемещение и взаимод. точечных, линейных и объемных дефектов. Эти процессы сильно зависят от температуры. Описание кинетики процесса требует прямой регистрации возникновения и скорости роста множества трещин или скорости прорастания отдельной магистральной трещины через сечение образца, а на атомномол. уровне — регистрации скорости накопления элементарных актов разрушения, т. е. необратимых разрывов межатомных связей.

Интегральной характеристикой кинетики разрушения служит величина т. наз. долговечностью образца под данной нагрузкой, т. е. промежуток времени от момента приложения нагрузки до разрыва образца, испытываемого на растяжение. Долговечность т-характеристика, обратная средней скорости разрушения. Феноменологич. исследования кинетики разрушения сводятся к изучению зависимости долговечности от температуры Т и напряжения а, или иначе-температурно-временной зависимости П. разл. материалов. В определенном диапазоне температур и растягивающих напряжений для всех материалов справедлива общая закономерность:

где k — постоянная Больцмана, U₀, γ и т₀-эмпирич. коэффициенты. Вид этой формулы дает основание считать, что разрушение твердых тел-процесс термофлуктуационный, при котором вследствие хаотич. движения составляющих систему частиц энергия теплового движения превышает некоторый потенц. барьер разрушения U(σ), напр. энергию, необходимую для разрыва межатомных связей в твердом теле. Высота барьера линейно уменьшается с увеличением приложенного напряжения. Предэкспоненц. множитель т₀ не зависит от структуры тела и природы межатомных связей и имеет значения порядка 10⁻¹³ с, близкие к периоду собств. колебаний атомов относительно положения равновесия. Это отличает разрушение от др. кинетич. процессов, при которых изменения во взаимном расположении частиц (стерич. фактор) меняет Предэкспоненц. множитель на много порядков. Эксперим. значения U₀, близкие к энергии межатомных связей, позволяют считать, что элементарные процессы разрушения представляют собой акты типа разрывов межатомных связей. Величина U₀, как и т₀, не чувствительна к структуре тела. Вся структурная чувствительность П. сосредоточена в коэф. γ. Количественно γ, имеющий размерность объема, в десятки и сотни раз больше атомного объема; его значение сильно меняется при легировании и предварит. деформировании металлов, пластифицировании и ориентировании полимеров, др. структурных воздействиях. Величина γ имеет смысл произведения некоторого активац. объема на коэф. перенапряжения в месте развития разрушения.

Термофлуктуац. представления были подтверждены прямым наблюдением за развитием разрушения в аморф-но-кристаллич. ориентированных полимерах на всех уровнях структурной организации. Так, с помощью спектральных методов (ИК, ЭПР, масс-спектрометрия и др.), малоуглового рентгеновского рассеяния и др. было установлено, что в полимерных образцах под нагрузкой распределение напряжений на межатомных связях неоднородно, появляются и накапливаются разорванные связи, концентрируются точечные (молекулярные) дефекты, накапливаются субмикротрещины размером порядка 10³ нм. Сравнение скоростей накопления мол. дефектов и образования субмик-ротрещин привело к выводу о том, что первичные разрывы молекул служат как бы "спусковым крючком" для передачи цепи радикальной реакции на соседние молекулы, т. е. можно говорить о "взрывном" механизме субмикроразрушения образца. Микрокиносъемка процессов образования и роста микро- и макротрещин подтверждает, что указанные микропроцессы лежат в основе макроскопич. разрушения полимера и определяют его закономерности.

Кинетика разрушения металлич. материалов, стекол и т. п. качественно м. б. рассчитана на основе термофлуктуац. подхода, однако из-за большой чувствительности к структуре тела эмпирич. значения коэф. т₀, U₀ и γ в формуле для долговечности и могут сильно отличаться от расчетных; в этих случаях интерпретация их физ. смысла затруднительна. Это же относится и к некоторым полимерам, в частности неориентированным. При анализе кинетики разрушения наряду с термофлуктуац. представлениями учитывают и хим. процессы, сопровождающие деформирование и разрушение (см. механохимия).

^{Лит.: Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974; Бартенев Г. М., Прочность и механизм разрушения полимеров, М., 1984; Степанов В. А., Песчан-ская Н. Н., Шпейзман В. В., Прочность и релаксационные явления в твердых телах, Л., 1984; Берштейн В. А., Механогидролитические процессы и прочность твердых тел, Л., 1987; Эмануэль Н. М., Бучаченко А. Л., Химическая физика молекулярного разрушения и стабилизации полимеров, М., 1988.}

_{В. Р. Регель}