Міцність твердих тіл
Міцність твердих тіл в широкому сенсі - здатність твердих тіл чинити опір руйнуванню (розділенню на частини), а також необоротної зміни форми (пластичної деформації) під дією зовнішніх навантажень.
Міцність твердих тіл у вузькому сенсі - опір руйнуванню. Залежно від матеріалу, виду напруженого стану (розтяг, стиск, вигин і ін.) І умов експлуатації (темп-pa, час дії навантаження та ін.) В техніці прийняті різні заходи міцності твердих тіл (межа плинності. Тимчасовий опір, межа втоми і т.д.).
Руйнування твердого тіла - складний процес, який залежить від безлічі факторів, тому величини, що визначають міцність твердих тіл, є умовними.
Мал. 1. Залежність сили взаємодії двох атомів від відстані між ними.
Фізична природа міцності
Міцність твердих тіл обумовлена в кінцевому рахунку силами взаємодії між атомами або іонами, складовими тіло. Напр. сила взаємодії двох сусідніх атомів (якщо знехтувати впливом оточуючих атомів) залежить лише від відстані між ними (рис. 1). При рівноважному відстані r0
0,1 нм (1) ця сила дорівнює нулю. При менших відстанях сила позитивна і атоми відштовхуються, при великих - притягуються. На критич. расстояніісіла тяжіння по абс. величиною максимальна і дорівнює FT. Напр. якщо при розтягуванні цилинд-річ. стрижня з поперечним перерізом S0 діюча сила Р. спрямована уздовж його осі, така, що припадає на дану пару атомів зовн. сила перевершує макс. силу тяжіння FT. то атоми безперешкодно віддаляються один від одного. Однак, щоб тіло зруйнувалося уздовж деякої поверхні, необхідно, щоб всі пари атомів, розташовані по обидва боки від даної поверхні, відчували дію сили, яка перевершує FT. Напруга. відповідає силі F т, зв. теоретич. міцністю на розрив s т (sT0,1 E. де E - модуль Юнга). Однак на практиці спостерігається руйнування при навантаженні Р *. к-рій відповідає напруга s = P * / S в 100-1000 разів менше s т · Розбіжність теоретич. П. т. Т. З дійсною пояснюється неоднородностями структури тіла (кордони зерен в полікрісталліч. Матеріалі, сторонні включення і ін.), Через яких брало навантаження Р розподіляється нерівномірно по перетину тіла.
механізм руйнування
Якщо на ділянці поверхні малих розмірів (але значно перевищують перетин одного атома) локальне напруга виявиться більше s т, уздовж цієї площадки відбудеться розрив. Краї розриву розійдуться на відстань, більшу rк. на к-ром міжатомні сили вже малі, і утворюється мікротріщина (рис. 2). Зародженню мікротріщин при напрузі нижче sт сприяють тримаючи. флуктуації.
Мал. 2. Тріщина Гріффіта; заштрихована область, в якій зняті напруги. Стрілки вказують напрямок напруги.
Локальні напруги особливо великі у краю тріщини, яка утворилася, де відбувається концентрація напружень. причому вони тим більше, чим більше її розмір. Якщо цей розмір більше деякого критичного. rс. на атоми у краї тріщини діє напруга, що перевершує sт, і тріщина росте далі по всьому перетину тіла з великою швидкістю - настає руйнування. Величина rс визначається з умови, що звільнилася при зростанні тріщини пружна енергія матеріалу покриває витрати енергії на утворення нової поверхні тріщини: (де g - енергія одиниці поверхні матеріалу). Перш ніж зростаюче зовн. зусилля досягне необхідної для руйнування величини, від. групи атомів, особливо що входять до складу дефектів в кристалах, зазвичай відчувають перебудови, при яких локальні напруження зменшуються ( "релаксує"). В результаті відбувається необоротне зміна форми тіла - пластич. деформація; їй також сприяють тримаючи. флуктуації. Руйнування завжди передує велика пли менша пластич. деформація. Тому при оцінці rс в енергію g повинна бути включена робота пластич. деформації у Р. Якщо пластич. деформація велика не тільки поблизу поверхні руйнування, але і в обсязі тіла, то руйнування в'язке. Руйнування без за-предметних слідів пластич. деформації зв. крихким. Характер руйнування проявляється в структурі поверхні зламу. У кристалічних. тілах крихкому руйнуванню відповідає скол по крісталлографіч. площинах спайності, грузлому - злиття мікропорожнеч і ковзання. При низькій температурі руйнування переважно. крихке, при високій - в'язке. Темп-pa переходу від в'язкого до крихкого руйнування зв. критич. температурою хладноломкости.
Оскільки руйнування є процес зародження і росту тріщин і пір, воно характеризується швидкістю або временемот моменту прикладення навантаження до моменту розриву, т. Е. Довговічністю матеріалу. Дослідження мн. кристаллич. і аморфних тіл показали, що в широкому інтервалі температур Т і напруг s, прикладених до зразка, довговічність при розтягуванні визначається співвідношенням
гдепрібл. одно періоду теплових коливань атомів в твердому тілі (10 -12 с), енергія U0 близька до енергії сублімації матеріалу, активація. обсяг V становить зазвичай дек. тисяч атомних об'ємів і залежить від структури матеріалу, що сформувалася в процесі попередньої тримаючи. і механічні. обробки і під час навантаження. При низьких темп-pax довговічність дуже різко падає з ростом напруги, так що прп будь-яких важливих для практики значеніяхсуществует майже постійне граничне значення напруги вище догрого зразок руйнується практично миттєво, а нижче - живе необмежено довго. Це значення s0 можна вважати міцності межею (табл.).
Значення межі міцності на розтяг
кгс / мм 2 (1 кгс / мм 2 = 10 МН / м 2)
Времязатрачівается на очікування термофлуктуац. зародження мікротріщин і на їх зростання до критичного. розміру. Коли до зразка прикладають напругу s, він деформується спочатку пружно, потім пластично, причому близько структурних неоднорідностей, що були в початковому стані або виникли при пластич. деформації, утворюються великі локальні напруги (напр. в кристалах - в результаті скупчення дислокацій). У цих місцях зароджуються мікротріщини. Їх концентрація може бути дуже великий (напр. В деяких орієнтирів. Полімерах до 10 15 тріщин в 1 см 3). Однак їх розміри, які визначаються масштабом структурних неоднорідностей, значно менше. Під пост. напругою розміри і концентрація тріщин ростуть повільно і тіло не руйнується, поки випадково (напр. в результаті последоват. злиття близько розташованих сусідніх тріщин) одна з них не доросте до критичного. розміру. Тому при створенні міцних матеріалів слід піклуватися не стільки про те, щоб тріщини не зароджувалися, скільки про те, щоб вони не росли.
Випадковий розподіл структурних неоднорідностей за обсягом зразка, за розмірами і за ступенем міцності і випадковий характер термін. флуктуації призводять до розкиду значень довговічності (а також межі П. т. т.) при випробуваннях однакових зразків при заданих значеніяхі Т. Імовірність зустріти в зразку "слабке" місце тим більше, чим більше його обсяг. Тому П. т. Т. (Руйнівне напруження) малих зразків (напр. Тонких ниток) вище, ніж великих з того ж матеріалу (т. Н. Масштабний ефект). Ділянки з підвищеним напругою, де легше зароджуються мікротріщини, зустрічаються частіше у поверхні (виступи, подряпини). Тому полірування поверхні і захисні покриття підвищують П. т. Т. Навпаки, в агресивних середовищах П. т. Т. Знижена.
Механічні властивості металів
міцність металів
Міцність - властивість твердих тіл пручається руйнування, а також незворотними змінами форми. Основним показником міцності є тимчасовий опір, яке визначається при розриві циліндричного зразка, попередньо підданого відпалу.
По міцності метали можна розділити на наступні групи:
неміцні метали - (тимчасовий опір не перевищує 50 МПа) - олово, свинець, вісмут, а також м'які лужні метали.
міцні метали - (від 50 до 500 МПа) - магній, алюміній, мідь, залізо, титан і інші метали, що становлять основу найважливіших конструкційних сплавів
високоміцні метали - (більше 500 МПа) - молібден, вольфрам, ніобій та ін.
До ртуті поняття міцності застосовується, оскільки це рідина.
Тимчасовий опір металів зазначено в таблиці 10.
Таблиця 10. Міцність металів
пластичність металів
Пластичність - властивість твердих тіл зберігати частину деформації при знятті навантажень, які їх викликали. Як показник пластичності вибірково відносне подовження, яке визначається при тих же випробуваннях, що і тимчасовий опір.
За ступенем пластичності метали прийнято поділяти наступним чином:
високопластична метали - (відносне подовження перевищує 40%) - метали, що становлять основу більшості конструкційних сплавів (алюміній, мідь, залізо, титан, свинець) і "легкі" метали (натрій, калій, рубідій та ін.)
пластичні метали - (відносне подовження лежить в діапазоні між 3% і 40%) - магній, цинк, молібден, вольфрам, вісмут і ін. (найбільш велика група)
тендітні метали - (відносне подовження менше 3%) - хром, марганець, кольбат, сурма.
Висока очищення тендітних металів дещо підвищує пластичність. Сплави, отримані на їх основі, майже не піддаються обробці тиском. Промислові вироби з них часто отримують шляхом лиття. Відносне подовження металів характеризує таблиця 11.
Таблиця 11. Пластичність металів
Література по міцності
- Гуль В. Е. Структура і міцність полімерів, 3 вид. М. 1978;
- Руйнування, пров. з англ. т. 1, М. 1973;
- Регель В. Р. Слуцкер А. І. Томашевський Е. Е. Кінетична природа міцності твердих тіл, М. 1974.
НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі теорії ефіру
Про це Корнілов написав на своїй сторінці в соцмережі.
За словами Корнілова, тоді його повідомлення було сприйнято з недовірою.
Тепер же Сміла Корнілов вирішив повернутися до цієї теми, в зв'язку з чим публікує у себе в фейсбуці фотографії загадкових ізраїльтян, які брали участь в одеській бійні.
Серед безлічі питань, на які Корнілов, за його словами, хотів би отримати відповідь, наприклад, такі:
«Чому вони випадково розгулювали по Одесі з медичним спорядженням, в гумових рукавичках, звідки вони знали заздалегідь про те, що будуть поранені й убиті? Або чому цей боєць раптом різко забув англійську, коли зрозумів, що його записують? ».
Води озер, морів і океанів північного по --------- Лушар обертаються проти годинникової -з-т - р-е-л-к-і, а води південного полушарія- в-ра - ща-ють -ся- по- ч-асів стрілкою, - обра-зуя- -гіг-ант-скі-е вод-ово-роти.
Основною причиною обертання вирів є місцеві вітру.
І чим вище швидкість вітрів тим вище швидкість обертання вирів і як наслідок, вище відцентрова сила вирів, завдяки чому підвищується рівень вод морів і океанів.
А чим нижче відцентрова сила вирів, тим нижче рівень вод морів і океанів.
Швидкість течій, по периметру морів і океанів не скрізь однакова і залежить від глибини узбережжя. У мілководній частині моря швидкість течій збільшується, а в глибоководній частині моря зменшується.
Сезонні коливання рівня вод спостерігаю-ться не по всьому узбережжю морів і океан-ів, а тільки в тих узбережжях де висока кутова швидкість течій і як наслідок, висока відцентрова сила води. (Відцентрова сила F = v / r).
На прямолінійних узбережжях, де течії не мають кутовий швидкістю, рівень вод не підвищується.