3.3 Теоретическая прочность хрупких тел

1. Метод Поляни.

–удельная поверхностная энергия;

S=1;

–атомные плоскости (межатомные расстояния).

По методу считается, что разрушение произойдёт в том случае, если атомное расстояние удвоится.

Пример.

2. Расчёт по теплоте сублимации.

Сублимация – переход твёрдого тела в газообразное состояние, минуя жидкое.

S=1м²;

Пример.

Медь:

Материал
Медь	1200	120	23
Стекло	8000	800	8
NaCl	4000	400	0,5

Реальная прочность отличается от теоретической на 2 - 3 порядка.

3.4 Реальная прочность хрупких тел

Основной теорией, объясняющей хрупкость, является теория Гриффетса, в основу которой положено представление о наличии в телах поперечных микротрещин. Микротрещины образуются при слиянии вакансий или при скоплении дислокаций у препятствий.

–длина, – глубина;

–плотность энергии;

–поверхностная энергия;

Если достигается значение l _крит, то наблюдается самопроизвольный рост трещины и уменьшается – образец освобождается от энергии деформаций, которая переходит в энергию образования и развития трещин. Происходит самопроизвольное разрушение образца. Еслиl _крит не достигнуто, а внешняя нагрузка снята, трещина уменьшается (“схлопывается”).

Для развития трещин толщина образца должна превосходить несколько микрон. Если диаметр меньше нескольких микрон, то трещина не разовьётся до критических размеров и прочность материалов достигнет теоретического значения. Этот факт был экспериментально подтверждён на примере нитей (усов) вольфрама, выращенных из атомного пара.

Основные источники трещин.

1. Механическая обработка.

2. Слияние вакансий.

3. Слияние дислокаций у препятствий.

3.5 Пути упрочнения хрупких материалов

1. Изготовление бездефектных кристаллов с размером меньше l_крит.

2. Искажение внутренней структуры материала – дефекты могут затруднять перемещение дислокаций и трещин.

3. Создание композиционных материалов, в состав которых входит волокнистая фаза с диаметром меньшим, чем l_крит.

4. В случае керамических материалов – получение керметов, то есть композиций, содержащих керамику и металл. При образовании микротрещины в таком материале её острие доходит до частиц металла, и энергия трещины расходуется на пластическую деформацию металла.

5. Создание частично стабилизированных материалов.

ЧСДЦ: .

Трещина, распространяясь по кубической модификацииZrO₂, доходит до областей с тетрагональной модификацией и переводит тетрагональную модификацию в моноклинную. При этом энергия трещины уменьшается и прекращается её дальнейшее распространение. Для получения частично стабилизированного диоксида циркония в ZrO₂ вводят примеси, например CaO или CdO, которые способствуют получению ZrO₂ в различных модификациях.

3.6. Теоретическая плотность пластичных тел

Для пластических материалов реальная прочность на 3 - 4 порядка меньше теоретической. Это свидетельствует о том, что сдвиг в кристалле или пластическая деформация происходит не путём жёсткого смещения всех плоскостей с одновременным разрывом всех химических связей, а таким образом, что в каждый момент имеет место смещение относительно малого количества атомов. Это объясняется дислокационным механизмом разрушения пластичных тел. Напряжение необходимо для перемещения дислокаций:

–коэффициент Пуассона,