Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
kniga-pavlov-s.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
3.47 Mб
Скачать

5.2. Дальнодействия в твердом состоянии

5.2.1. Масштабный фактор прочности

С приближением к поверхности кристалла его решётка изменяется; обычно нарастает период решётки и амплитуда колебаний атомов, особенно в направлении, перпендикулярном к поверхности раздела.

При низких температурах, как известно, нарастание числа искажений, дефектов решётки (до определенного предела) приводит сначала к упрочнению металла. Так действуют ковка, радиационные повреждения, внедрение инородных атомов и др. Естественно, что в этом же направлении, к упрочнению, изменяет механические свойства металла и действие близлежащих поверхностей раздела. При высоких температурах как нарастание дефектности, так и приближение к поверхности приводят к размягчению материала. Это можно пояснить также с помощью диаграммы (см. рис. 4.11): измельчение зерна поликристалла выше точки стеклования приводит в пределе в область жидкости, а ниже Тст - в область прочного стекла. Согласно [169], выше температуры 0,4Тпл приповерхностные слои оказываются более мягкими, а ниже - упрочненными по сравнению с объемом.

Действительно, тонкие нити, проволочки, фольга и др. при толщине порядка 10 мкм проявляют прочность, на порядок или даже на два-три порядка величины больше прочности массивных образцов. Это широко известное явление, которое называют обычно масштабным фактором прочности.

В рамках традиционной молекулярной модели вещества, оперируя одними лишь близкодействиями, невозможно построить адекватную молекулярную модель этого явления. Известны различные истолкования, предназначающиеся обычно для определённых веществ и образцов определённого вида. Имеются дислокационные и статистические теории [170],объясняющие высокую прочность малых образцов, и т.д.

Широко обсуждалась прочность микроскопических "усов" ряда металлов, которые при толщине в несколько микрон имеют прочность на 1-2 порядка величины выше по сравнению с массивными поликристаллическими образцами. Обычно это объясняли тем, что тонкие усы имеют бездефектную почти идеальную решётку или решетку с одной лишь винтовой дислокацией по оси. Здесь сказывается общее представление о том, что прочность есть следствие дальнего порядка, и при идеальном упорядочении была бы достигнута наибольшая (теоретическая) прочность; при разрушении перегруппировки атомов вообще отсутствуют, и одна часть образца смещается как целое относительно другой или отрывается от другой.

С точки зрения предлагаемой модели правильность решётки сама по себе , при данном уровне сил Fст , не повышает прочность; высокая прочность усов есть проявление масштабного фактора. К настоящему времени освоено получение очень тонкой стальной проволоки, по толщине приближающейся к усам; её прочность также приближается к прочности усов и достигает величин порядка 1000 кгс/мм2. С другой стороны, тонкие нити стекла достигают прочности, даже превышающей прочность усов, до 1500 кгс/мм2 у нитей SiO2 [10]; повышение прочности с уменьшением толщины наблюдается, следовательно, и при весьма неправильной кристаллической структуре, и при полном отсутствии дальнего порядка; эффект не связан с очень правильной бездефектной решеткой.

К настоящему времени накоплено много данных о том, что большие монокристаллы с наиболее правильной и бездефектной решёткой являются очень мягкими; их предел текучести обычно меньше 1 кгс/мм2 [171]. Это также не позволяет объяснить прочность усов бездефектностью их решётки.

Из рис. 5.1 видно, что кривые повышения прочности с уменьшением толщины нитей, проволочек, усов, а также толщины фольги, имеют такой же вид, как и кривые повышения вязкости жидкости с уменьшением толщины плёнки, причём характерным размером для всех таких зависимостей является величина коллоидного параметра L  (100-101) мкм. Очевидно, это явления одной природы и обусловлены одними эффектами - Fст.

Рис. 5.1. Эффекты дальнодействия межфазных поверхностей раздела: (1, 2) - зависимость модуля сдвига и вязкости жидкой плёнки в зависимости от её толщины [103]; 3 - вязкость водных плёнок [105]; 4- вязкость силикатного клея в зависимости от толщины водных плёнок между мицеллами [120] ; 5,6 - прочность тонких стальных проволочек и стеклянных нитей [33], 7- дисперсное упрочнение стали включениями [173] ; 8 - кривая упрочнения чугуна при измельчении зерна[169]. Все кривые имеют качественно одинаковый вид и отражают, очевидно, дальнодействие структурных "взаимодействий" на расстояниях порядка коллоидного параметра (100-101мкм)

Удельная прочность твёрдых тел повышена примерно на 2 порядка величины около поверхности по сравнению с объёмом; упрочнение спадает с удалением от поверхности примерно так же, как вязкость в плёнке жидкости, причем коллоидный параметр в твердом состоянии примерно на порядок величины больше, L  10 мкм. Такое околоповерхностное упрочнение характерно для всех образцов, но у тонких нитей оно заметно увеличивает и общую прочность.

5.2.2. О МАСШТАБНОМ ФАКТОРЕ В ОБЛАСТИ ЖИДКОСТИ

Интересен вопрос: действует ли масштабный фактор прочности или вязкости выше точки стеклования Тст, то есть в области высоковязкой жидкости? Основные свойства вещества в окрестности Тст изменяются непрерывно, без скачков; поэтому естественно предположить, что и несколько выше температуры стеклования существует приблизительно такое же повышение прочности и вязкости у тонких нитей, как и хорошо изученное масштабное повышение прочности у тонких нитей твердого стекла около Тст.

О повышении вязкости при уменьшении толщины нити высоковязкой жидкости свидетельствует способность таких нитей к многократному растяжению, их высокая устойчивость при растяжении. При механической работе с высоковязкими жидкостями, при разделении двух "кусков" такой жидкости часто самопроизвольно образуется множество нитей. Если бы вязкость нити не зависела от ее толщины, то случайные колебания толщины нити быстро (экспоненциально) разрастались бы при растяжении; на более тонких участках то же самое общее натяжение нити дает более высокие удельные напряжения и, соответственно, более быстрое растяжение и дальнейшее утоньшение; это приводит к ускоренному росту удельных напряжений, к ускорению растяжения и т.д.

Если вязкость возрастает при уменьшении радиуса R нити быстрее, чем R-2, то на более тонких участках растяжение будет более медленным, и случайные неравномерности толщины нити будут самопроизвольно выравниваться; растягиваемые нити высоковязкой жидкости будут "абсолютно устойчивыми". Подобным образом ведут себя некоторые тонкие проволочки, но их упрочнение связано не только с масштабным фактором, но еще и с наклепом.

Если вязкость возрастает медленнее, чем R-2, то неравномерности толщины нити будут возрастать, но медленнее, чем при обычной постоянной вязкости. В действительности реализуются, видимо, оба последних случая, что и приводит к образованию множества достаточно устойчивых тонких нитей при работе с высоковязкими жидкостями, причем их радиус может приближаться к коллоидному параметру. Это свидетельствует, очевидно, о существовании "масштабного фактора вязкости" у жидкостей.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]