|
Часть
1
http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/TECHNICS/GORDON.1/PART01.HTM
Интуиция подсказывает
,
что трещина
-
штука скверная
,
но далеко не очевидно
,
что и ступенька может вызван
,
вредную
концентрацию напряжений
.
Готовых теоретических решений задачи о поведении ступенек в литературе не было
,
и я
попросил Марша заняться изучением этого вопроса
.
Методом фотоупругости
,
работая на прозрачных моделях в
поляризованном свете
,
Марш смог доказать
,
что ступенька так же вредна
,
как и эквивалентная ей трещина
.
По существу
ее можно рассматривать как половину трещины
.
Экспериментальный результат Марша был затем математически
подтвержден Коксом
.
Хотя эта работа была выполнена для объяснения прочности крошечных кристалликов
,
полезно обратить на нее внимание
инженеров
,
которые
,
опасаясь трещин
,
порой легкомысленно относятся к ступенькам в машинах и конструкциях
.
Заметим
,
что в случае ступенек
,
как это было и с трещинами
,
концентрация напряжений определяется не абсолютным
размером дефекта
,
а отношением глубины к радиусу основания дефекта
.
Изучив под электронным микроскопом серию усов
,
Марш нашел
,
что для исследованных им веществ радиус основания
ступеней роста был практически постоянным и составлял примерно
40
А
.
Затем он сравнил высоту наиболее опасных
ступенек с измеренной прочностью усов
.
Связь была налицо и не оставляла места сомнениям относительно объяснения
масштабного эффекта на усах
.
Так как большие усы ничем
,
кроме размеров
,
не отличаются от других типов кристаллов
,
это должно было послужить общим объяснением прочности и разрушения хрупких кристаллов
.
Дэш своими опытами показал
,
что поведение усов в этом смысле не отличается от поведения больших кристаллов
.
Он
взял большой
(2
см
)
кристалл кремния
,
который в обычных условиях особой прочностью не отличается
,
и очень
тщательно его отполировал
.
Заключив этот кристалл в прозрачную коробку
,
снабженную механизмом изгиба
,
Дэш
регулярно появлялся с ним на разного рода конференциях и демонстрировал свой опыт всем и каждому
:
кристалл мог
изгибаться без разрушения до деформации
2%,
что соответствует напряжению
450
кг
/
мм
2
-
цифра очень внушительная
.
Когда мы обращаемся к более распространенным кристаллическим материалам
,
в цепи наших рассуждений появляется
еще одно звено
.
Можно
,
конечно
,
действуя подобно Дэшу
,
получить довольно большой монокристалл
,
но
,
как правило
,
каждый отдельный кристалл в наших обычных материалах достаточно мал
.
Усы
-
это все
-
таки исключительные по своим
свойствам малые монокристаллы
.
Обычно же твердые тела больших размеров являются поликристаллами
:
можно
сказать
,
что они собраны из большого числа малых кристалликов
,
примыкающих друг к другу в трех измерениях
,
подобно булыжникам мостовой или областям на географической карте
.
Форма отдельных кристаллов может быть весьма
неправильной
,
они примыкают один к другому по границам обычно очень плотно
,
в чистых материалах контакт на
молекулярном уровне достаточно хороший
.
Вообще говоря
,
поверхностная энергия этих границ выше
,
чем энергия
поверхностей разрушения в кристаллах
,
и поэтому в достаточно чистых материалах
"
границы зерен
"
не являются
источником низкой прочности
.
Другое дело
-
материалы с большой концентрацией примесей
.
Хорошо известно
,
что
,
когда жидкость замерзает
,
в
процессе кристаллизации растущие кристаллы стремятся изгнать из своего объема примеси
.
Например
,
лед
,
образовавшийся из соленой воды
,
при таянии дает достаточно пресную воду
(
что очень удобно для полярников
).
Этот
процесс приводит к тому
,
что примеси в твердых телах накапливаются по границам зерен
.
Здесь же собираются и
вакансии
,
то есть поры атомных размеров
.
Все это может превратить границы зерен в поверхности разрушения
.
Именно
из
-
за этого небольшая добавка неподходящей примеси может разрушить сплав
.
Иногда понижение прочности дает
положительный эффект
.
Рассмотрим
,
например
,
что дает добавление антифриза к воде
,
охлаждающей двигатель
автомобиля
.
Основной смысл этой операции состоит в том
,
что гликоль
,
существенно понижая точку замерзания
полученной смеси
,
оттягивает неприятности
,
но
,
если все
-
таки смесь замерзнет
,
лед получается пористым
,
лишенным
механической прочности и вряд ли способен сильно навредить машине
.
Однако для большинства достаточно чистых кристаллических тел границы зерен довольно прочны и поведение твердых
хрупких материалов можно сравнить с поведением усов и других монокристаллов
,
а последнее
,
как мы видели
,
очень
VIVOS VOCO:
Дж
.
Гордон
, «
Почему
мы
не
проваливаемся
сквозь
пол
» -
Do'stlaringiz bilan baham: |
