Вопрос №12

Прочность твердых тел определяется в первую очередь силами взаимодействия между атомами или ионами, составляющими тело, и строением кристаллов. Анализируя силы взаимодействия, можно определить предел прочности материала, величину модуля упругости, энергию связи кристалла и коэффициент поверхностного натяжения.

Механизм упругого деформирования. При сжатии кристалла в пределах упругого деформирования наблюдается стремление к восстановлению прежнего размера и объема кристалла, поскольку при деформации сжатия преодолеваются силы отталкивания, и уменьшается расстояние r₀.

Механизм пластического деформирования. Силы отталкивания действуют до тех пор, пока разрушающие усилия и напряжения не станут критическими и не произойдет разрыв кристалла. После этого наступает этап разъединения частей кристалла породы, происходит увеличение расстояния между центрами атомов, что проявляется в сопротивлении разрушению, а значит, начинают работать силы притяжения между атомами. Разрыв, разделение частей уже практически разрушенного кристалла будет затруднен в той степени, каковы силы межатомного взаимодействия кристалла, и в какой степени произошло разрушение кристалла.

Вопрос №13

На практике разрушение твердого тела происходит при действующем внешнем напряжении, значительно меньшем, чем теоретическое значение предела прочности в 100-1000 , а часто и в большее количество раз. Такое расхождение объясняется, в первую очередь, различными неоднородностями структуры тела (наличие трещин, пор, посторонних включений и др.), которые приводят к неравномерному распределению нагрузки по его сечению.

В минералах дефекты могут быть точечными (примеси, вакансии и т.п.), линейными или объемными (поры, трещины). В горных породах, кроме дефектов, содержащихся в минералах, в качестве таковых можно рассматривать границы минеральных зерен, слоев, т.к. трещины, разделяющие целостность образца породы проходят преимущественно по границам зерен минералов по сложной траектории, образуя поверхность многомерной кривизны.

Таким образом, число дефектов в породе и влияние дефектов на прочность породы зависит от строения (размеров и формы минеральных зерен), внешних условий (внешних давлений) и режимов разрушения.

Влияние дефектов заключается в том, что они уменьшают действующую площадь сечения образца, подвергаемую, например, разрыву. Кроме этого, вблизи дефектов концентрируются напряжения, и эти места являются очагами процессов разрушения в твердом теле.

Вопрос №14

Исследования по механике разрушения твердых тел берут свое начало с работы английского ученого А. Гриффитса «Явление разрушения и течение твердых тел», опубликованной в 1921 году [37]. Эта работа является основополагающей, т.к. в ней процесс разрушения связывается с наличием в теле дефектов и трещин. До этого прочность тела связывали с некоторой константой материала, например, предельным значением прочности на разрыв.

Основу для фундаментальных исследований А. Гриффитса по теории трещин составили результаты экспериментов по разрушению стеклянных стержней. В результате испытаний стеклянных стержней диаметром 1мм на разрыв была получена прочность 196 МПа. Далее для испытаний были использованы образцы меньших диаметров, в частности 2,5 мкм. Испытания показали, что образцы такого диаметра имеют существенно бòльшую прочность на разрыв – 5886 МПа! Введя в анализ гипотезу о существовании в материале трещин, число которых связано с размерами образца, А. Гриффитс объяснил снижение теоретической прочности до реально наблюдаемых величин.

Проведенные эксперименты показали, что если величина приложенной нагрузки превышает некоторое ее значение, то происходит развитие трещины.

Исследования, проведенные А. Гриффитсом, позволили ему построить теорию, которая объясняла катастрофический характер хрупкого разрушения, огромные ускорения при движении трещин, а также невозможность остановки процесса роста трещины, если он уже прошел критическую точку.