Рис. 2.1.6. Деформация скольжением в кристалле, реализуемая за счет движения краевой дислокации, и ее аналог - движение складки ковра
Блокирование движения дислокаций достигается как введением инородных атомов, осаждающихся на линиях дислокации, так и путем насыщения объема точечными, линейными и поверхностными дефектами, как связывающими дислокации (вакансии), так и играющими роль барьеров на пути движения дислокаций (другие дислокации, границы двойников и фаз, и особенно - границы зерен). В результате достигается упрочнение материала при одновременном понижении пластичности.
Прочность, способность противостоять разрушающей нагрузке является важнейшим конструкционным свойством твердых тел. У твердых тел наблюдается два полярных типа разрушения: х р у п к о е или разрушение отрывом (сколом) и пластическое, или в я з к о е, являющееся заключительной стадией сдвига (среза). Существуют, конечно, и смешанные виды разрушения. Хрупкое разрушение наблюдается в том случае, если в данном интервале температур и скоростей нагружения вещество обладает пределом прочности меньшим, чем предел упругости. Это характерно для стекла, керамики, закаленных сталей. Материалы, вязкие при комнатной и повышенной температурах, могут стать хрупкими при пониженных температурах ("хладноломкость"), особенно если они испытывают высокоскоростные и ударные нагрузки.
Как правило, хрупкое разрушение является внутрикристаллическим и распространяется вдоль плоскости скола (плоскости с простыми кристаллографическими индексами (100), (110), (111)). При пониженных температурах хрупкое разрушение поликристаллического агрегата может происходить и по границам зерен (интеркристаллитное или межзеренное разрушение). Такое разрушение вызывается зернограничной ликвацией - повышенной концентрацией примесей в приграничных объемах, приводящей к формированию сегрегаций или частиц новой фазы, располагающихся вдоль границ зерен. В керамике межкристаллитное разрушение стимулируется пористостью по границам зерен.
Процесс разрушения разделяется на две стадии - зарождение трещины и ее распространение через все сечение образца (детали). Первая стадия неразрывно связана с пластической деформацией, в случае вязкого разрушения пластическое деформирование продолжается до нарушения сплошности образца или детали, причем на завершающей стадии процесс может идти довольно быстро, со скоростью метров в секунду. Хрупкое разрушение развивается из зародышевой трещины, надреза на поверхности или микротрещины в объеме и происходит с большой скоростью - в некоторых случаях выше 1000 м/с.
Поэтому его иногда еще определяют как "внезапное", "катастрофическое" разрушение, и оно представляет наибольшую опасность с инженерной точки зрения. Следует отметить, что этот вид разрушения характерен не только "традиционным" хрупким материалам - кристаллам, керамике, стеклам, но и многим металлам. Поводом к подробному изучению явления хрупкого разрушения послужили крупные аварии, произошедшие на 115 судах США и Европы, причем 35 сварных судов (типа "Либерти" и танкеры) разломились пополам, известны случаи катастрофического разрушения газопроводов с длиной трещин более километра, газгольдеров.
Исследования показали, что "чисто" хрупкого разрушения в природе не бывает - всегда наблюдается некоторая деформация материала по берегам хрупкой трещины, которая может быть обнаружена при соответствующем изучении излома под микроскопом. Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация, выражающаяся в изменении формы и размеров изделия, строительной конструкции, крепежных изделий - болтов, заклепок. Заметная, а чаще значительная деформация характерна и при усталостном разрушении.
Усталостным называют разрушение, происходящее под действием не слишком больших, но длительно действующих стационарных или циклических знакопостоянных или знакопеременных нагрузок. Такому типу разрушений подвержены валы, рессоры, рельсы, лопатки турбин, зубья шестерен, обшивка крыла самолета, плиты перекрытий зданий, дорожное полотно, изготовленные из самых различных материалов. Усталостное разрушение - главная угроза, которой противостоят конструкторы и создатели всех типов машин.
а) По Френкелю
Будем
оценивать прочность материала по макроскопическому параметру - пределу
прочности на разрыв 
, где F - минимальная нагрузка, при
которой образец с поперечным сечением S разрывается. Воспользуемся оценкой
Френкеля для предельной прочности, которую должен демонстрировать ионный
кристалл. Многие теоретические и экспериментальные исследования по
пластичности и прочности и влиянию на них различных параметров проделаны на
кристаллах NaCl, LiF, MgO, являющихся удобными моделями
беспористых конструкционных материалов.
Определим усилие, достаточное для того, чтобы левую половину кристалла типа NaCl (рис.2.1.7,а) оторвать от его правой половины.
Обозначим это усилие, отнесенное к единице площади контакта, через Р. Усилие Р равно, очевидно, сумме сил, с которыми каждый крайний ион одной половины притягивает соседний ион (противоположного знака) другой половины.
 |
Рис. 2.1.7. К расчету предельной прочности ионного кристалла на разрыв: по Френкелю (а), по Поляни (б), по Оровану и Поляни (в), х0 - исходное расстояние между атомами, rS - эффективный радиус действия сил межатомного притяжения
В
первичном, грубом приближении будем считать, что эта сила попарного
взаимодействия ионов может быть вычислена из закона Кулона 
, где а - параметр решетки (а=2,87Å
для NaCl), e = 1,6×10-19 Кл - заряд иона.
Каждый ион занимает площадку примерно a2, следовательно, число пар ионов
на единицу площади составит 1/a2.
Тогда сила притяжения половинок кристалла, отнесенная к единице поверхности, равняется
(2.1.22)
где e0 = 8,85×10-12 Ф/м - электрическая постоянная.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.