Кинетика процессов механического разрушения твердых тел

Общие закономерности процессов механического разрушения твердых тел. Кинетическая теория разрушения твердых тел, уравнение Журкова С.Н. (формула). Графические зависимости времени до разрушения от напряжения и температуры. Уравнение скорости процесса разрушения (формула).

Типичные зависимости долговечности материала от напряжения при различных температурах (графики).

Температурно-временная зависимость прочности материалов проверена в широком интервале напряжений, температур и времени при различных видах напряженного состояния (растяжении, изгибе, кручении), при статических и циклических нагрузках. Согласно кинетической теории разрушение может происходить при напряжениях, меньших предела прочности, и что разрывное напряжение зависит от времени действия приложенной нагрузки.

Процессы механического разрушения металлов и сплавов обусловдены, в основном, двумя механизмами:

1) разрывом межатомных связей за счет тепловых флуктуаций;

2) направленной диффузией вакансий к трещинам.

Первый процесс характеризуется уравнением Журкова С.Н. (формула).

Для диффузионного механизма разрушения получена температурно-временная зависимость прочности (формулы). Эксперименты показали, что энергия активации процесса разрушения металлов и сплавов по своей природе соответствует не энергии самодиффузии, а энергии сублимации (энергии разрыва межатомных связей). Таким образом, энергия активации является параметром, характеризующим природу сил связи в материале. В таблице приведены значения энергии активации некоторых металлов (табл.). В некоторых случаях может наблюдаться отклонение от уравнения кинетической теории прочности, характеризующееся изломом прямой (рис.), что обусловлено нестабильностью структуры металлов и изменением структуры под нагрузкой (наблюдается процесс рекристаллизации).

Процессы разрушения полимерных материалов представляют собой процессы внутримолекулярных связей в результате тепловых флуктуаций, т.е. процессы термодеструкции полимерных связей (цепей). В таблице приведены значения энергии активации процесса разрушения некоторых полимеров (табл.).

Характер разрыва твердых тел показывает, что кинетика разрушения определяется прежде всего развитием трещин. Феноменологическая теория трещин Гриффитса (зависимость). Уравнение скорости роста трещин (зависимости). Критическая длина трещины и время до разрыва образца (формулы, графики).

Стадии роста трещин. Условие разрушения образца (формулы). Долговечность при статическом и циклическом режимах нагружения (формулы). Накопление дефектов под действием циклической нагрузки (зависимости). Влияние скорости нагружения на процесс накопления повреждений.

Лекция № 30, № 31

КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

КОНСТРУКЦИЙ

Старением материалов называют процесс изменения их физико-механических свойств во времени в условиях длительного хранения и эксплуатации. При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение свойств материалов или нередко улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других.

Процессы старения сложны и изучены далеко не полностью. Старением металлов и сплавов следует считать процесс изменения во времени свойств, связанный с любыми превращениями металлов и сплавов в твердом состоянии:

- аллотропическое превращение;

- мартенситное превращение;

- растворение в твердом состоянии;

- упорядочение твердых растворов;

- образование твердых растворов.

Для отдельных стадий процесса распада твердого раствора получены приближенные кинетические закономерности (формулы).

Старение, обусловленное распадом твердых растворов, вызывает изменение механических и физических свойств металлов:

- прочности;

- твердости;

- электросопротивления;

- стойкости против коррозии и т.п.

На рисунке в качестве примера показано влияние основных реакций процесса распада на прочность сплава (рис.). Дифференциальное уравнение, характеризующее этот процесс, имеет вид (формулы). Это уравнение позволяет получить температурную зависимость скорости распада (рис., график).

Старением полимеров, так же как и других материалов, называют зависящее от времени изменение их свойств в условиях хранения или эксплуатации. Старение полимеров обусловлено, в основном, процессами, приводящими к деструкции полимеров, т.е. распаду основных цепей макромолекул на молекулы более простого строения. Кроме процессов деструкции причиной процессов старения полимеров могут быть процессы структурирования (образования добавочных внутренних связей).

Различают три механизма деструкции:

1. Разрывы молекулярных цепей происходят по длине цепи случайно.

2. Разрыв макромолекулы по слабым связям.

3. Разрыв цепи по связям.

В таблице приведены значения температуры протекания деструкции некоторых полимеров (табл.).

При старении пластических материалов могут изменяться структура, молекулярный вес, химический состав, взаимодействие макромолекул и т.п. Скорость старения полимеров может быть описана уравнением, справедливым для реакций разложения (формула). Основным фактором, определяющим скорость процесса деструкции, является энергия активации. Согласно уравнению Аррениуса константа скорости реакции имеет вид (зависимости). Если ввести обобщенную характеристику свойств полимера (механических, физических, диэлектрических), то можно записать следующее уравнение, позволяющее определить срок службы полимера (формулы).

Лекция № 32