The new science of strong materials

Часть
1
http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/TECHNICS/GORDON.1/PART01.HTM
межатомной силы от деформации отклоняется вниз от прямой
.
Поэтому энергия деформации будет меньше найденной нами энергии
,
грубо
говоря
,
вдвое
.
Чтобы учесть это
,
мы просто опустим двойку в выведенной нами формуле
,
имея в виду
,
что мы не претендовали на получение
точной величины прочности
.
Следовательно
,
правдоподобную оценку прочности материала должно давать выражение
s
*
= 2(
GE
/
x
)
1/2
проще которого едва ли что можно придумать
.
Теперь применим эту формулу к стали
,
типичными величинами для которой будут
:
поверхностная энергия
G
= 1000
эрг
/
см
2
,
модуль Юнга
E
=
2
Ч
10
12
дин
/
см
2
,
межатомное расстояние х
= 2
Ч
10
-8
см
.
Подставив эти значения в формулу
,
получим прочность около
3
Ч
10
11
дин
/
см
2
,
то есть примерно
3000 
кг
/
мм
2
,
что составляет около
E
/ 6,
Прочность обычной стали
-
около
50 
кг
/
мм
2
,
прочность специальной проволоки может быть
300 
кг
/
мм
2
.
Так как величины
Е
и
G
для разных твердых тел различны
,
мы получим для них и различные значения теоретической прочности
.
Единственное
,
что будет роднить эти числа
, -
все они намного превысят значения прочности
,
которые нам дают реальные материалы
.
Пожалуй
,
сталь составляет исключение в этом смысле
:
реальная прочность некоторых сортов стали достигает все
-
таки
1/10
от вычисленной
прочности
;
огромное большинство твердых тел имеет всего сотую или даже тысячную долю теоретической прочности
.
Лет
30–40
назад никто не рискнул бы публично усомниться в этих вычислениях
.
Ведь в таком случае нужно было бы дать объяснения
,
откуда
берется энергия вновь образованных поверхностей
.
Почему
-
то серьезно за это никто не брался
.
Где
-
то что
-
то было не так
,
и
,
пожалуй
,
рассуждали многие
,
лучше об этом поменьше говорить
.
Если мы займемся вычислением лишь прочности как таковой
,
то для различных материалов получим различные значения теоретической
прочности
.
Однако мы легко можем найти теоретические величины упругой деформации при разрыве
;
проделав это
,
мы обнаружим
,
что вы
численные деформации окажутся примерно одинаковыми для любого твердого тела почти независимо от его химической природы
.
Вообще
говоря
,
величина этой деформации составляет примерно
10–20% *.
Если это так
,
то прочность твердого тела должна лежать между
E
/10
и
Е
/
5.
Таким образом
,
мы не вправе сказать
,
что все материалы должны иметь одну и ту же прочность
,
но мы можем утверждать
(
правда
,
без
гарантированной точности
),
что все материалы должны были бы иметь одну и ту же упругую деформацию при разрыве
.
Повседневная
практика
,
однако
,
убеждает нас
,
что материалы не только не имеют постоянной деформации при разрыве
,
но и расчетные прочности во всех
без исключения случаях намного превышают реальные значения
.
*
Проницательный ум легко обнаружит
,
что поверхностная энергия твердого тела должна быть пропорциональна величине модуля
Юнга
.
Действительно
, G =
E
x
/10.
Дело в том
,
что упругость и поверхностное натяжение определяются одними и теми же силами
связи
.
Каучук имеет деформацию разрыва около
800%,
но природа ее совершенно иная
,
и потому применять наши вычисления здесь
было бы жульничеством
(
см
.
приложение
I
).
О пластическом удлинении мягких металлов
(
у мягкой стали
,
например
,
оно составляет
60%)
см
.
в
главе
3
.
Гриффит
c
задался целью найти физическую теорию
,
которая позволила бы объяснить расхождение между теорией и практикой
.
Я не был
знаком с самим Гриффитсом
,
но его тогдашний помощник Бен Локспайсер рас сказывал мне кое
-
что об обстоятельствах
,
при которых велась
эта работа
.
В те времена считалось
,
что ученые исследователи должны зарабатывать на жизнь лишь прикладными работами
.
Отсюда
следовало
,
что материаловеды должны были ограничиваться исследованием применяемых в технике материалов
,
таких
,
как древесина или
сталь
.
Гриффитсу нужен был гораздо более простой материал
,
он хотел иметь материал с чисто хрупким разрушением
.
Поэтому он обратился
к стеклу
.
Сейчас мы назвали бы такой материал модельным
,
тогда же очень популярными были модели в аэродинамических трубах
,
но
,
помилуйте
,
кому приходилось прежде слышать о модельном материале
?
Имея все это в виду
,
Гриффит
c
и Локспайсер остерегались обсуждать с руководством подробности своих экспериментов
.
Однако работа
включала вытягивание волокон и выдувание пузырей из расплавленного стекла
,
и однажды
,
когда они проработали уже несколько месяцев
,
Локспайсер
,
уходя домой
,
забыл погасить газовую горелку
,
на которой друзья плавили стекло
.
Пришлось давать объяснения по поводу
случившегося пожара
,
после чего Гриффитсу и Локспайсеру было приказано прекратить пустое времяпрепровождение
.
Гриффитс был
переведен на другую работу
,
позже он стал известным конструктором двигателей
.
Предубеждение против стекла рассеивалось с трудом
.
Много лет спустя
,
кажется
,
в
1943 
году мне довелось демонстрировать одному
известному маршалу ВВС обтекатель самолетного радиолокатора
,
сделанный из стеклопластика
.
Это была
,
действительно
,
громадная штука
,
которую нужно было подвешивать под бомбардировщиком типа
"
Ланкастер
".
-
Из чего это сделано
?
-
Стекло
,
сэр
.
-
Стекло
?
Черт возьми
,
я не позволю совать стекло ни в один из моих самолетов
!..
Вернемся
,
однако
,
к экспериментам Гриффитса
.
Он первым стал систематически изготавливать стекло волокна и
,
исследуя их механические
свойства
,
нашел правдоподобное объяснение полученным результатам
.
Вначале Гриффитс должен был
,
хотя бы приблизительно
,
определить
теоретическую прочность стекла
,
с которым работал
.
Модуль Юнга легко было найти путем простых механических испытаний
,
а величина
межатомного расстояния не должна была сильно отличаться от
2–3 
А
*.
*
Нужно сказать
,
что Гриффитс пришел к этим оценкам несколько другим путем
.
Оставалось измерить поверхностную энергию
.
А в простоте ее определения для стекла и заключалось одно из достоинств этого материала в
качестве объекта исследования
.
Дело в том
,
что стекло не имеет фиксированной точки плавления
,
а при нагреве медленно изменяется от
хрупкого твердого тела до состояния вязкой жидкости
,
и в ходе этого процесса существенных изменений молекулярной структуры не
происходит
.
Поэтому при переходе от жидкого состояния к твердому не следует ожидать и сильных изменений величины поверхностной
энергии
,
и потому поверхностное натяжение и поверхностная энергия
,
которые достаточно легко измеряются на расплавленном стекле
,
можно с известной точностью применять и при анализе затвердевшего стекла
.
Если нагреть конец стеклянного стержня в пламени газовой
горелки
,
то
,
размягчившись
,
стекло будет стремиться принять форму шара
,
потому что силы поверхностного натяжения остаются достаточно
большими и после того
,
как сопротивление деформированию по существу исчезло
.
Нетрудно измерить силу
,
необходимую для медленного
вытягивания стержня в этих условиях
.
Но ведь она лишь очень немногим больше сопротивления поверхностному натяжению
.
На основании
такого рода экспериментов
,
выполненных на очень простых приборах
,
Гриффитс установил
,
что теоретическая прочность его стекла при
комнатной температуре должна быть почти
1400 
кг
/
мм
2
.

---

VIVOS VOCO: 
Дж
. 
Гордон
, «
Почему
мы
не
проваливаемся
сквозь
пол
» -