Файл: Физические основы надежности.doc

3. Закономерности физико-химических процессов

В МАТЕРИАЛАХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПРОЦЕССОВ

МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Закономерности протекания физико-химических процессов, оказывающих влияние на работоспособность элементов технических устройств, определяются, как правило, тем, что в этих процессах участвуют только те частицы вещества (молекулы, атомы, электроны), которые обладают энергией, не меньшей некоторого значения, необходимого для преодоления энергетического барьера, препятствующего течению процесса. Перемещения и перегруппировки элементарных частиц, изменение их положения в кристаллической решетке, обусловливающие многие эти процессы, могут происходить лишь в том случае, когда энергия частиц превышает определенный для данного материала уровень, достаточный для преодоления связей между частицами.

Минимальное значение энергии частиц (свободной энергии, которая может быть принята равной внутренней энергии или энтальпии), необходимое для преодоления барьера, называют энергией активации данного процесса. Скорость рассматриваемых процессов зависит от той небольшой доли частиц, которые обладают энергией, превышающей энергию активации процесса. Доля (относительное количество) таких частиц определяется законами распределения частиц по состояниям  распределения МаксвеллаБольцмана для молекул и атомов и квантовых распределений БозеЭйнштейна и ФермиДирака для электронов, протонов, фотонов и т. п. Эти законы статистической физики носят вероятностный характер, что предопределяет вероятностно-статистическую форму описания моделей отказов.

3.1. Общие закономерности процессов механического разрушения

До недавнего времени считались общепринятыми классические представления о пластической деформации и разрушении материалов как о критических событиях, наступающих тогда, когда действующие в материале напряжения достигают некоторой критической величины _кр. Согласно этим представлениям при напряжениях, меньших предела упругости, пластическая деформация вообще не может развиваться, а разрушение тела происходит (практически мгновенно) только тогда, когда напряжения достигнут предела прочно-

14

сти. Однако в последнее время этому взгляду противопоставляется другой подход, согласно которому разрушение материала рассматривается не как критическое событие, а как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале во времени с момента приложения к нему нагрузки, в том числе меньше критической. Разрушение является безактивационным процессом лишь при очень низких температурах (близких к абсолютному нулю) или при действии напряжений, равных пределу теоретической прочности (прочности атомных связей).

В соответствии с этой кинетической теорией, согласно которой одним из фундаментальных свойств прочности является ее зависимость от времени, деформация и разрушение должны характеризоваться не предельным напряжением, но скоростью деформации и разрушения, а также долговечностью  временем, требующимся для разрушения. Пределы упругости, текучести, прочности

являются с этой точки зрения лишь некоторыми условными характеристиками.

Скорость процессов механического разрушения нагруженного твердого тела и, соответственно, время до разрушения зависят от структуры и свойств материала тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры. Предложен ряд электрических формул, описывающих зависимость времени до разрыва  (или скорости разрушения ) от этих факторов. Наибольшее признание получила установленная экспериментально для многих материалов (чистых металлов, сплавов, полимерных материалов, полупроводников, органического и неорганического стекла и др.) следующая температурно-временная зависимость прочности зависимость между напряжением , температурой Т и временем  от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца [1,2]:

, (8)

где _о, u_о,   параметры уравнения, характеризующие свойства материалов.

Для скорости процесса разрушения можно записать:

. (9)

В уравнениях (8) и (9), характеризующих кинетический процесс разрушения, имеет смысл энергии активации процесса разрушения, причемu_o представляет собой начальную энергию активации (величину начального энергетического барьера) процесса разрушения при  = 0, постоянную для данного материала в широкой области температур Т и не зависящую от обработки материала (наклепа, термической обработки, легирования и т. д.); и– параметры, совпадающие по величине соответственно с периодом и

15

частотой собственных тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке твердого тела (равными 10^1210^14 с и 10¹²10¹⁴ Гц), постоянные для всех исследованных металлов и сплавов, полимеров, ионных кристаллов, не зависящие от обработки материала и условий нагружения;   напряжение материала, обусловленное механической нагрузкой, уменьшающее начальную энергию активации на величину , активирующее таким образом процесс разрушения и создающее направленность процесса;   структурный коэффициент, определяющий степень уменьшения начального энергетического барьера под действием приложенного напряжения (характеристика чувствительности материала к напряжению).

Указанная температурно-временная зависимость прочности проверена в широком интервале напряжений, температур и времени при различных видах напряженного состояния (растяжении, изгибе, кручении), при статических и циклических нагрузках. Справедливость уравнения (8) показана для величины

долговечности  от 10^3 до 10⁷ с; дальнейшее увеличение  всего на порядок (с 10⁷ до 10⁸ с) означает увеличение испытания с нескольких месяцев до нескольких лет.

Зависимости долговечности  материала от напряжения  и температуры Т, аналогичные экспериментально установленной зависимости (8), получены путем теоретического рассмотрения дислокационных механизмов зарождения и развития трещин. Время  разрыва при постоянной нагрузке образцов, изготовленных из одного материала, есть случайная величина (зависящая от случайных размеров и распределения элементарных дефектов в образцах материала), распределяющаяся по некоторому вероятностному закону. Обычно под долговечностью  понимают среднее ее значение.

Хотя временная зависимость отражает внутренний механизм разрушения твердых тел, так как обусловлена тем, что само разрушение представляет собой развивающийся во времени процесс, уменьшению прочности нагруженного образца способствуют побочные процессы, вызываемые агрессивным воздействием среды, действием поверхностно-активных веществ.

Таким образом, зависимость (8) показывает, что разрушение может происходить при напряжениях, меньших предела прочности, и что разрывное напряжение зависит от времени действия приложенной нагрузки и от температуры материала.

Кинетическая теория прочности подчеркивает необходимость учета влияния теплового движения (флуктуации тепловой энергии) на процессы де-

16

формации и разрушения, особенно в их начальной стадии. Процесс разрушения при нагрузках ниже критической не может происходить в отсутствие теплового движения атомов и молекул, которое является фактором, принципиально обусловливающим разрыв материала при нагрузках, меньших критической. Зависимость (8) приводит к выводу, что разрушение следует рассматривать как процесс, в котором за счет тепловых флуктуаций преодолевается энергетический барьер u_о, сниженный в результате действия напряжений на величину . При этом физический смысл величин, входящих в уравнение (8), совпадение величины _о с периодом атомных колебаний показывают, что процесс разрушения представляет собой ряд элементарных актов, связанных с тепловым движением атомов и молекул.

3.2. Процессы механического разрушения металлов и сплавов

Можно считать установленным, что у металлов температурно-временная зависимость прочности, возникновение и развитие микротрещин обусловлены в основном двумя процессами: разрывом межатомных связей за счет тепловых

флуктуаций и направленной диффузией вакансий к трещинам.

Непосредственные измерения величин энергии активации разрушения, энергии самодиффузии, энергии сублимации для ряда металлов и сплавов и исследование характера их изменения показывают, что в области больших напряжений и сравнительно низких температур (меньших 0,5 ,К; Т_пл  температура плавления) действует механизм разрушения, обусловленный процессом последовательного флуктуационного разрыва атомных связей в кристаллической решетке, и следовательно, справедлива зависимость (8).

В области малых напряжений и высоких температур действует диффузионный механизм разрушения, основанный на росте трещинки путем притока вакансий или на образовании очагов нарушения связей в месте скопления избыточного числа вакансий, что приводит к температурно-временной зависимости прочности следующего вида [1]:

(10)

где D  коэффициент объемной диффузии;

П_о  количество объединившихся вакансий;

а  атомный размер;

17

  действующее напряжение;

Е  модуль упругости;

К  постоянная Больцмана;

С  численная константа порядка единицы.

Параметры u_о, _о, , входящие в уравнение (8), полностью характеризующие в «низкотемпературной» области прочностные свойства металлов и сплавов во времени (при процессах разрушения и деформации), являются недостаточными для описания этих свойств при переходе в «высокотемпературную» область, где проявляется новый фактор  дифференционная подвижность атомов, влияние которого на механизм разрушения становится при некоторых условиях преобладающим.

3.3. Процессы механического разрушения полимерных материалов

Процессы, вызывающие разрушение нагруженного полимерного материала, представляют собой процессы разрыва внутримолекулярных химических связей в результате тепловых флуктуаций, т. е. процессы термодиструкции полимерных цепей, активированные механическими напряжениями. Для полимерных материалов температурно-временная зависимость прочности (8) определяется кинетикой постепенного флуктуационного разрыва химических связей. Энергия активации процесса разрушения полимеров, уменьшающаяся под действием напряжения, соответствует энергии активации термодиструкции; при этом величина u_о в формуле (8) представляет собой энергию активации процесса термодиструкции полимерных цепей в ненапряженном полимере, равную энергии химической связи между атомами в полимерной цепочке.