У матеріалознавстві існує відмінність між крихкими і в'язкими матеріалами. З відповіді одного недбайливого студента:
перші руйнуються крихко, а другі - в'язко.
тендітні матеріали
У побуті ми часто стикаємося з крихкими матеріалами. Достатньо невеликого удару кельмою, щоб цегла розколовся. Досить зачепити стоїть на краю стола кришталеву вазу - і наслідки можуть бути плачевними. Досить футбольному м'ячу зустрітися з сусідським вікном - і скляр забезпечений роботою. Все це наслідки крихкості матеріалів.
в'язкі матеріали
Для в'язких матеріалів такі дії абсолютно безпечні. Руйнування в'язких матеріалів зазвичай пов'язане з їх пластичною деформацією, а тендітні руйнуються практично без неї. Але це все зовні. Щоб розібратися трохи глибше, наведемо приклад.
Енергія руйнування тендітних і в'язких матеріалів
Є два однакових зразки з різних матеріалів, один з з кераміки. інший - з алюмінію. Відомо, що міцність цих матеріалів однакова. Однакову чи роботу треба зробити, щоб зруйнувати зразки?
Очевидно - різну. Силу треба докласти однакову. Але оскільки при руйнуванні кераміки деформація матеріалу дуже мала, то мало переміщення, на якому діє сила, а значить, мала робота, оскільки вона розраховується як добуток сили на переміщення.
Алюміній ж, перш ніж зруйнуватися, витягується, сильно збільшуючи свою довжину, тому руйнівна сила діє на набагато більшому шляху, ніж в попередньому випадку, і робота виявляється у багато разів більше.
Більш глибоке розходження між в'язкими і крихкими матеріалами полягає у величині енергії. витрачається на їх руйнування. Для вузьких вона більше, ніж для тендітних.
Там, де необхідно, щоб конструкція працювала надійно, потрібно її виготовляти з міцного матеріалу. Це твердження настільки природно, що сумніватися в його істинності здається нерозумним.
Реальні матеріали завжди містять різні дефекти - скупчення дислокацій, пори, мікро- і макротріщини. Якщо зразок деформується, в ньому накопичується пружна енергія.
Матеріал завжди прагне позбутися зайвої енергії. Як він може це зробити? Дуже просто - зруйнуватися. Тоді він не буде схильний до дії напружень, а отже, перейде в стан з меншим запасом енергії. В цьому випадку, його загальна енергія буде більше, ніж у вихідному (ненавантаженому) стані, оскільки, розділившись на дві частини, він набуває дві нові поверхні, за якими йшло руйнування. Атоми на цих поверхнях мають надлишкову енергією, званої поверхневої. Але навіть з урахуванням її, сумарна енергія зруйнованого зразка менше, ніж навантаженого перед руйнуванням.
Різниця між крихкими і в'язкими матеріалами в різному опорі тріщин
Матеріал може зруйнуватися тільки в результаті поширення наявних в ньому тріщин. У процесі росту кожної тріщини акумульована навколо неї енергія вивільняється. Згідно із законом збереження енергії вона повинна перетворитися в іншу енергію. В яку?
На це питання А.Гріффітс дав чітку відповідь: в тендітних матеріалах - в енергію знову утворених поверхонь тріщини. Так він застосував закон збереження енергії до процесу руйнування.
Якщо пружна енергія деформації крихкого матеріалу перевищить величину енергії, необхідної для утворення двох нових поверхонь, тріщина почне мимовільно рости, і матеріал зруйнується. Кількість енергії, необхідну для руйнування, віднесений до площі поперечного перерізу, визначає в'язкість руйнування, або тріщиностійкість.
Отже: відмінність між крихкими і в'язкими матеріалами - в різному опорі поширенню магістральних тріщин. У крихкому - тріщинах привільно, для їх просування потрібно трохи енергії, а в в'язкому магістральні тріщини грузнуть, в ньому їм важко просуватися, бо основна частка енергії витрачається на пластичну деформацію. А на утворення нових поверхонь, пов'язаних з поширенням тріщини, її не вистачає.
Пластична деформація служить своєрідним клапаном, що випускає небезпечний надлишок пружної енергії. А в тендітних матеріалах такого клапана немає. Однак враховувати можливість розвитку тріщин в пластичних матеріалах теж потрібно, оскільки випускний клапан має обмежену пропускну здатність, і, починаючи з якогось моменту, він не встигає справлятися зі своїми функціями. Тоді тріщини починають катастрофічно рости і в в'язкому матеріалі. Але головну небезпеку вони представляють для крихкого матеріалу. Як боротися з ними?
На перший погляд, шанси на успішне вирішення завдання невеликі. Природу матеріалу не переробиш. Якщо він крихкий - так крихкий. Але не будемо обмежуватися лише першим поглядом. Як то кажуть, найкращі ліки від любові з першого погляду - подивитися ще раз. Давайте подивимося трохи глибше. Якщо природа не передбачила в тендітних матеріалах перешкод для тріщин, значить, створити їх повинні ми. Як? Тут саме час звернутися до композитам.
Композит з крихких матеріалів
Якщо композит складається з двох тендітних матеріалів. то пластичним він не стане. А ось стати в'язким може цілком. Це означає, що пластична деформація в ньому не з'явиться, але загальмувати поширення магістральних тріщин в ньому можна іншим шляхом.
Тріщини в тендітних матеріалах
Перш ніж вказати цей шлях - кілька слів про звички тріщин в тендітних матеріалах. Щоб перемагати ворога, його потрібно добре знати. Вивчення поведінки тріщин під дією навантаження, що розтягує дозволило виявити цікаву особливість.
Напруження, що діють в поперечному розрізі тріщини, прагнуть розкрити тріщину, за рахунок чого вона зростає. Найбільшу величину ці напруги мають безпосередньо в самому кінчику тріщини, і швидко зменшуються в міру віддалення від неї.
Крім напружень в околі кінчика тріщини виникають напруження розтягу, спрямовані горизонтально. У самому кінчику тріщини вони практично відсутні, але зате трохи попереду, в ще не зруйнованому матеріалі, стають досить відчутними - їх величина досягає 20% від діючих напруг. Це розрахували англійські вчені Дж. Гордон і Дж. Кук. Особливість розподілу напруги навколо тріщини і вдається використовувати для боротьби з нею в композитах.
Відмінність композитів від звичайних матеріалів
Одне з основних відмінностей композитів від звичайних матеріалів полягає в тому, що вони містять велику кількість внутрішніх поверхонь розділу. У армованих композитах - це кордону розділу між волокнами і матрицею, в шаруватих - кордону розділу між шарами. Міцність кордонів можна регулювати, це у владі технологів.
Розглянемо, що станеться, якщо тріщина з поверхні почне поширюватися всередину композиту. Для прикладу візьмемо склопластик - епоксидну смолу, армовану скляними волокнами.
І смола, і скло самі по собі матеріали тендітні. А склопластик - в'язкий, тобто має високу трещиностойкостью. Тому що, коли тріщина, що зародилася в смолі починає рости, вона обов'язково наштовхнеться на кордон розділу. Якщо міцність зчеплення смоли зі склом менше величини напружень, то станеться часткове розшарування композиту. На освіту розшарування витрачається енергія, а значить, вона відбирається від основної магістральної тріщини.
Коли до кордону підійде точка, в якій діють найнебезпечніші напруги, тріщина потрапить в капкан - в розшарування. Поєднання цих тріщин рівносильно округлення магістральної тріщини. А це означає, що концентрація напружень поблизу вершини тріщини зменшиться.
Величина напружень біля вершини тріщини в багато разів більше величини зовнішнього розтягуючого напруги. Навколо вершини тріщини напруги концентруються, і ця концентрація тим більше, чим більше відношення довжини тріщини до радіусу її вершини, тобто чим гостріше тріщина.
Концентрація напружень є тим механізмом, який дозволяє реалізувати прагнення тріщини збільшувати свої розміри відповідно до енергетичним критерієм Гриффитса. Вона як колеса візка, що стоїть на вершині гори. Прагнення з'їхати вниз у візки є, але його можна здійснити тільки при наявності коліс. Без коліс візок не поїде, а тріщина не буде рости без концентрації напружень у її вершини.
Різке затуплення вершини призводить до зниження концентрації напружень і вимикання основного механізму просування тріщини, а отже, до її зупинки. Щоб просунути тріщину далі, потрібно збільшити напругу. При цьому знову на шляху магістральної тріщини виявляться перешкоди у вигляді поверхонь розділу, що відбирають у неї енергію на освіту менш небезпечних поздовжніх розшарувань.
І замість однієї поперечної тріщини, яка легко зруйнувала б матеріал, утворюється безліч дрібних поздовжніх тріщин, які, звичайно, не дуже прикрашають матеріал, але дозволяють йому досить довго зберігати працездатність.
Для додання в'язкості композиту, що складається з двох тендітних компонентів, потрібна цілком певна (оптимальна) величина міцності зв'язку між матрицею і волокнами. Якщо вона буде більше оптимальної, тріщина не зверне уваги на кордон розділу і пройде далі, зруйнувавши всі волокна, матрицю і матеріал в цілому.
Якщо зв'язок буде занадто слабка, розшарування можуть виявитися дуже великими і привести до сильного знеміцнення композиту в цілому. А коли зв'язок між компонентами оптимальна, композит з тендітних складових виявиться в'язким, оскільки для свого руйнування вимагатиме великих витрат енергії.
Так в композитах реалізується формула крихкість + крихкість = в'язкість. Виходить, що потрібно зробити матеріал менш міцним (послабити кордону розділу), щоб виграти в в'язкості, а тим самим - в надійності.
Як казав один з героїв Фелікса Кривіна:
... все шукають, де краще, а коли все шукають, де краще, стає гірше всього. Щоб знайти, де краще, треба шукати, де гірше.
У композитах найгірше на кордонах розділу - зазвичай тут найслабші місця. Виявляється, ці слабкості є необхідною умовою сили.
Відбирати у тріщин енергію в композитах можна і по-іншому.
Уявіть собі тендітну матрицю, армовану крихкими короткими упрочняющими волокнами. Наприклад, кераміку, зміцнену керамічними вусами. Підвищувати в'язкість такого матеріалу можна, витягаючи волокна з матриці. Витрати енергії на витягування при оптимальних міцності зчеплення і довжині волокон можуть значно перевершувати роботу руйнування кожного компонента окремо.
Способи підвищення в'язкості матеріалів
В добре сконструйованому композиті енергія повинна витрачатися і на витягування волокон, і на розшарування. Тут тріщина просувається перпендикулярно до волокон. Поблизу її вершини руйнуються кордону розділу і з'являються малі зрушення волокон щодо матриці, а в області самої тріщини відбувається інтенсивне витягування волокон з матриці, що супроводжується втратами енергії на тертя. Такий композит буде в'язким, навіть якщо волокна і матриця тендітні.
Існують і більш прості способи підвищення в'язкості матеріалів. наприклад, армування тендітних матриць грузлими волокнами або створення шаруватих систем, що складаються з чергуються високоміцних тендітних і менш міцних вузьких прошарків.
Наприклад, берилій дуже приваблює вчених і інженерів унікальним поєднанням низької щільності (1800 кг / м 3) і високого модуля пружності (290 ГН / м 2), але його використання в якості конструкційного матеріалу утруднено через дуже великий крихкості. А ось композит зі структурою листкового пирога, що складається з чергуються шарів берилію і алюмінію, володіє прийнятною в'язкістю.
На відміну від чистого берилію, що руйнується відразу по всьому перетину, в цьому «пирозі» шари руйнуються поступово, один після одного, зростання тріщини легко можна контролювати - при переході з берилієвого шару в алюмінієвий кінчик тріщини затупляется в результаті пластичної деформації алюмінію, яка з'їдає більшу частина її енергії. Це неминуче викликає гальмування або навіть зупинку тріщини.
Аналогічним чином можна побудувати композити: високоміцна сталь - мідь, кераміка - м'який метал, полімер - метал, тверда сталь - м'яка сталь і ін.
Спосіб управління крихкістю матеріалу
Є ще один спосіб управління крихкістю матеріалу. Різниця між тендітним і в'язким матеріалом полягає в тому, що крихкий матеріал боїться, напруг, що розтягують, які викликають розкриття тріщин. А що стискають напруги для нього не є небезпечними, навпаки, вони сприяють закриттю тріщин, а значить, підвищують в'язкість. Для створення композиту можна вибрати два компонента, один з яких крихкий, а інший - в'язкий, причому лінійний коефіцієнт термічного розширення крихкого компонента повинен бути менше, ніж вузького, наприклад, тендітна кераміка, зміцнена металевими дротами.
Кінцева стадія отримання таких матеріалів, як правило, включає термообробку (спікання, випал, отжиг і ін.), Що вимагає нагріву до високих температур. При охолодженні металеві дроти прагнуть стати коротше, ніж кераміка, так як їх коефіцієнт термічного розширення більше. При цьому вони стискають керамічну матрицю, а самі знаходяться під дією напруг, що розтягують. Але оскільки волокна в'язкі, ці напруги великій небезпеці для них не уявляють. Зате стискають напруги в тендітній матриці знижують небезпеку зростання тріщин, істотно ускладнюючи їх розкриття під дією зовнішніх напружень.
Ще більшого ефекту можна домогтися, застосовуючи попередньо напружені композити, наприклад, залізобетон. Залізобетон - це бетон, армований сталевими прути ми. Отримують його, заливаючи арматуру бетоном. А ось якщо спочатку прути розтягнути, в такому стані залити бетоном і дати йому застигнути, то після зняття навантаження, що розтягує прути, прагнучи зменшити свою довжину, будуть стискати бетон. Такий залізобетон набагато краще працює на розтяг, ніж звичайний. Тріщина, потрапляючи в крихкий бетон, гальмується стискають напруженнями, які діють в ньому.
Використання в композитах поєднання тендітних і в'язких матеріалів, дозволяє підвищувати не тільки міцність і жорсткість конструкцій, але і їх в'язкість.