Конструкции, или почему не ломаются вещи

Гордон Джеймс Эдвард

Энергия, или работа, разрушения

Когда твердое тело разрушается при растяжении, должна возникнуть хотя бы одна трещина, распространение которой разделяет кусок материала на части. Это означает, что должны образоваться по крайней мере две новые поверхности, не существовавшие ранее, до разрушения тела. Чтобы таким путем произвести в материале разрыв и образовать эти новые поверхности, необходимо разорвать все химические связи, до того сцеплявшие между собой поверхности.

Количество энергии, требуемое для разрыва почти всех типов химических связей, хорошо известно (по крайней мере химикам), и оказывается, что для большинства твердых тел, с которыми мы имеем дело в технике, общие количества энергии, требуемые для разрыва всех связей по любой единичной плоскости в любом поперечном сечении [31] , весьма близки между собой и не сильно

отличаются от величины 1 Дж/м².

Если мы имеем дело с материалами, которые носят название хрупких - к ним относятся камень, кирпич, стекло и фаянс, - упомянутое количество энергии и есть почти вся та энергия, которую мы должны сообщить телу, чтобы произвести разрушения. В действительности 1 Дж/м²– это совсем малое количество энергии. Так, согласно самой простой оценке упругая энергия, которую можно запасти в 1 кг сухожилий, достаточна для того, чтобы "заплатить" за 2500 м² свежей поверхности битого стекла. (Такое действие эквивалентно визиту слона в посудную лавку.) Вот почему каменщик раскалывает кирпич точно пополам всего лишь легким ударом мастерка, а чтобы разбить тарелку или бокал, достаточно малейшей неловкости.

31

Во многих случаях это количество энергии есть то же самое, что и поверхностная энергия, тесно связанная с поверхностным натяжением как жидкостей, так и твердых тел, и часто обсуждаемая в материаловедении.

Хрупкие материалы по возможности не используются там, где они могут подвергнуться действию растяжений. Эти материалы являются хрупкими в первую очередь не потому, что имеют низкую прочность на разрыв,- это означало бы, что для их разрушения требуется небольшая сила, - а потому, что для их разрушения требуется только небольшая энергия.

Технические и биологические материалы, которые используются в условиях растяжения и в этом смысле являются относительно безопасными, для образования новой поверхности при разрушении требуют значительно большей энергии. Другими словами, работа разрушения для них значительно (несравненно!) больше, чем в случае хрупких твердых тел. Для практически вязкого трещиностойкого материала величина работы разрушения обычно лежит в пределах 10³– 10⁶ Дж/м². Поэтому энергия, требуемая для разрушения сварочного железа или мягкой стали, может быть в миллион раз больше энергии, требуемой для разрушения в таком же поперечном сечении стекла или керамики, хотя величины статической прочности на разрыв этих материалов не сильно различаются. Поэтому таблица значений прочности на разрыв, подобная табл. 2, в случае если ее используют для выбора какого-то конкретного материала, может дезинформировать конструктора. По этой же причине классическая теория упругости, основанная главным образом на силах и напряжениях, которая старательно разрабатывалась в течение столетий - и еще более старательно преподавалась студентам, - сама по себе не может правильно предсказывать разрушение реальных материалов и конструкций.

Таблица 4. Приближенные величины работы разрушения и прочности при растяжении некоторых распространенных материалов

Вещество / Приближенное значение работы разрушения Дж/м² / Приближенное (номинальное) значение прочности на разрыв МН/м²

Стекло, керамика / 1-10 / 170

Цемент, кирпич, камень / 3-40 / 4

Полиэфирные и эпоксидные смолы / 100 / 50

Нейлон, полиэтилен / 10³ / 150-160

Кость, зубная ткань / 10³ / 200

Дерево / 10⁴ / 100

Мягкая сталь / 10⁵– 10⁶ / 400

Высокопрочная сталь / 10⁴ / 1000

Хотя в деталях механизм поглощения столь огромных количеств энергии в виде работы разрушения в вязких трещиностойких материалах часто является тонким и сложным, общий принцип его действия весьма прост. В хрупком твердом теле работа, производимая в процессе разрушения, на самом деле сводится к той работе, которая необходима, чтобы разорвать химические связи на возникающей в процессе разрушения новой поверхности или в ее непосредственной окрестности. Как мы уже видели, соответствующая энергия мала и составляет около 1 Дж/м² В трещиностойком материале, несмотря на то что прочность и энергия каждой индивидуальной связи остаются теми же, изменения структуры материала в процессе разрушения распространяются на гораздо большую глубину. Практически эти изменения вполне могут распространяться на глубину свыше сантиметра, то есть на глубину, измеряемую 50 млн. атомов под видимой поверхностью разрушения. Поэтому если в процессе нагружения разорвется только одна межатомная связь, то энергия, требуемая для образования новой поверхности, увеличится в миллионы раз, что, как мы видели, и имеет место в действительности. Молекулы, находящиеся вдали от поверхности разрушения, способны, таким образом, поглощать энергию и вносить свой вклад в сопротивление разрушению.

Высокие значения работы разрушения мягких металлов обязаны в первую очередь пластичности этих материалов. Это означает, что при их растяжении кривая деформирования отклоняется от закона Гука при совсем небольших напряжениях, после чего материал начинает деформироваться пластически, подобно пластилину (рис. 21). Если стержень или лист из такого металла разрушается в результате растяжения, то, перед тем как произойдет разрыв, материал вытягивается словно патока или жевательная резинка. На концах в месте разрыва образец принимает коническую форму и выглядит примерно так, как показано на рис. 22. Такую форму разрушения часто называют шейкообразованием.

Рис. 21. Кривая деформирования для пластичного металла (мягкая сталь). Заштрихованная область представляет работу разрушения металла.

Рис. 22. Работа разрушения пропорциональна объему пластичсски деформированного металла (заштрихованная область) и поэтому, грубо говоря, пропорциональна t². Работа разрушения тонкого листа может быть очень малой. а– металлическая плита большой тощины, б– тонкий металлическии лист.

Шейкообразование и другие подобные формы пластического разрушения возможны потому, что многие из бесчисленных слоев атомов в кристаллах металла способны скользить относительно друг друга. Дислокационный механизм этого скольжения не только обеспечивает взаимное проскальзывание слоев подобно картам в колоде, но и поглощает энергию, и весьма большую. Результатом всех этих сдвигов, скольжений и смещений в кристаллах является то, что металл обретает способность значительного формоизменения и поглощения упругой энергии.

Дислокационный механизм скольжения [32] , постулированный первоначально Дж. Тейлором в 1934 г., был предметом интенсивных научных исследований в течение последних 30 лет. Он оказался исключительно тонким и сложным. Процессы, происходящие в столь, казалось бы, простой вещи, как кусок металла, оказались не менее хитроумными, чем большинство процессов в живых биологических тканях. Забавно, что этот хитроумный механизм, вероятно, не конструировался с какой-то определенной целью. Природа сама не может, так сказать, извлекать из него пользу, поскольку в своих конструкциях она никогда не использует металлы, которые и в самородках-то встречаются весьма редко. Однако дислокации в металлах оказались чрезвычайно полезными для инженеров, можно сказать, что они были изобретены для их пользы, поскольку именно благодаря дислокациям металлы не только обладают трещиностойкостью, но и допускают ковку, обработку давлением и одновременно упрочение.

32

См. "Почему мы не проваливаемся сквозь пол", гл. 3 и 9, где дается элементарное представление о дислокациях; более полно вопрос освещен в книге: Cottrell A. The Mechanical Properties of Matter (Wiley, 1964 etc.).

А вот у искусственно созданных пластиков и волокнистых композитов способы поглощения упругой энергии при разрушении иные. Механизм их совершенно отличен от механизма поглощения металлов, но достаточно эффективен. У биологических материалов также, по-видимому, имеются весьма совершенные механизмы получения больших величин энергии разрушения, которые работают весьма изощренным образом. Способ, реализующийся, например, в древесине, исключительно эффективен, и работа разрушения дерева, взятая на единицу веса, больше, чем для большинства сортов стали [33] .

33

Снова см. "Почему мы не проваливаемся сквозь пол", гл. 8. 89