Розроблено теорію розриву твердого абсолютно пружного тіла з теорії будови скла і механізму розриву хімічних зв'язків. Дискретний розподіл хімічних зв'язків в склі по їх силі визначає міцність скла на розтягування. Міцність скла характеризується міцністю найбільш сильних зв'язків. Наявність в склі зв'язків з різною міцністю зумовлює, що скло - матеріал з низькою міцністю на розтягнення.
Серед всіх практичних властивостей твердих тіл найбільш важливим є міцність. Механічна міцність кристалічних твердих тіл головним чином залежить від дислокацій [1] і структури [2]. Невивченість структури скла і відсутність теорії склоподібного стану призводить до значних ускладнень інтерпретації результатів при дослідженні механічних властивостей скла.
У зв'язку з неможливістю пластичної течії в склі навіть при відсутності експериментальних даних з теорії випливає, що скло має мати виняткову міцність [5]. Змінилося ставлення до скла як до дуже міцної матеріалу [6], навіть ставиться питання про отримання високоеластичних стекол [7]. За [4] скло має високу природну міцність, однак, велика кількість дефектів не дозволяє отримати цю міцність.
Незважаючи на припущення про високу міцності досі за традиційною технологією ніхто не почув стекол з високоміцної структурою. У проблемі міцності багато уваги приділяється визначенню теоретичної міцності скла. У зв'язку з невизначеністю структури теоретична міцність оцінювалася непрямими методами. Теоретична міцність скла за розрахунками сягає 2500 кг / мм 2 [8]. Незважаючи на величезну теоретичну міцність практична міцність скла на розтягування мала і становить 5-15 кг / мм 2. невоспроизводимость результатів при визначенні механічної міцності скла не випадкова, а є відображенням умов його виробництва [9].
Міцність скла визначається його структурою, дефектами зразка, а також в значній мірі залежить від умов випробувань. Труднощі в інтерпретації результатів дослідження механічної міцності скла пов'язані зі складністю явищ, що відбуваються при руйнуванні, які є результатом взаємодії цілого ряду чинників при навантаженні зразка. У зв'язку з цим важливим стає питання істинної міцності скла при руйнуванні, що не залежить від дефектів і зовнішніх умов, а визначається структурою матеріалу. Уявлення про процес руйнування твердих тіл можуть бути засновані тільки при розгляді атомного механізму реакції тіла на вплив зовнішньої сили. Тріщини, неоднорідності і багато інших дефекти твердих тіл повинні розглядатися як вторинні фактори, що роблять значний, а часом вирішальне, вплив на міцність. Ця дія дефектів на міцність твердого тіла маскує природу власної міцності тіла, яка визначається його структурою.
Перша теорія міцності скла запропонована А.Гріффітсом [10]. Для пояснення процесу руйнування скла передбачалося, що в склі є мікротріщини. При навантаженні зразків в вершинах мікротріщин відбувається перенапруження і подальший розрив зв'язків. Наявність в стеклах найтонших тріщин, які знаходяться у всьому обсязі зразка, Гріффітс пояснив невідповідність технічної і теоретичної міцності.
Головний упор в теорії Гріффітса робиться на наявність в склі мікротріщин до початку руйнування. Однак, в роботі [11] передбачається, що наявність мікротріщин в склі до початку руйнування необов'язково, і вони можуть зароджуватися мимовільно. По роботі [12] мікротріщини не обов'язково повинні бути невід'ємною особливістю структури, виникнення їх може бути чисто випадковим.
При електронно-мікроскопічному вивченні оптичних кварцових стекол дефектів у вигляді мікротріщин різних розмірів, наявність яких припускав Гріффітс, не виявлено [13]. Тріщини можуть виникати в процесі виготовлення зразка або під час його навантаження, однак, питання про походження мікротріщин до сих пір не вирішене через відсутність надійних методів їх виявлення [14].
Статистична теорія міцності виходить з того, що в склі є дефекти, які розподілені статистично [15, 16]. Міцність зразка визначається найбільш небезпечним дефектом. Так само, як і по теорії Гріффітса, статистична теорія припускає наявність в зразках дефектів різного ступеня небезпеки.
На противагу чисто механічним уявленням про розрив твердого тіла в останнє десятиліття отримала розвиток кінетична концепція руйнування твердих тіл [11]. Основи цієї концепції закладені в роботах [17, 18], виходячи з уявлень про тепловому русі атомів. Руйнування твердого тіла визначається як тепловим рухом атомів, так і механічними напруженнями.
Незважаючи на наявність ряду теорій міцності для стекол ще не створена молекулярна теорія розриву і не знайдена природа елементарних порушень, які визначають надійність. Розглянемо міцність скла на основі уявлень про його структуру. За моделлю будови [19] в склі існує дискретний спектр хімічних зв'язків по їх силі (Рис. 1).
Рис.1 Фазові переходи склоподібних розплавів в твердий стан
при охолодженні і структуроутворення стекол [19].
Кожна структурна група зв'язків на графіку залежності температур від часу має свою лінію ліквідусу. Чим вище температура затвердіння структурної групи, тим більшу енергію необхідно затратити для її розплавлення. Тому високотемпературні структурні групи твердого тіла мають більш високу міцність. Таким чином, в твердому тілі є цілий ряд рівнів міцності в структурі від максимальних високотемпературних до мінімальних низькотемпературних. Залежно від хімічного складу скла в ньому може варіюватися періодичність дискретних зв'язків по їх силі, причому, кількість однакових по силі зв'язків може бути різним.
Залежно від будови атомів в структурі скла і взаємодії з сусідніми атомами зв'язок кожної пари атомів характеризується жорсткістю і допустимим відносним подовженням, які визначають силу зв'язку [20]. Пари атомів, що мають однакові відносні подовження при розтягуванні, утворюють рівні за силою зв'язку.
Візьмемо елементарний ізотропний мікрооб'ємах скла без залишкових напруг і докладемо до нього малу розтягувальну силу. Розглянемо поведінку атомів скла в майбутньої площині розриву. Кожна пара атомів знаходиться під напругою # 963; = P / n. де P - діюча сила, n - кількість атомів в поперечному перерізі мікрооб'ємах. У міру збільшення сили, що розтягує P напруги на хімічні зв'язки ростуть. Якщо в склі даного хімічного складу є m рівнів по силі зв'язку, то n = n 1 + n 2 + ... + n m. де n 1 + n 2 + ... + n m - кількість зв'язків в кожному рівні. Для кожного рівня допустимі розривні напруги відповідно будуть: # 963; 1. # 963; 2. ... # 963; m. Скло є абсолютно пружним твердим тілом, пластичні деформації в ньому неможливі в зв'язку з різницею характеру сусідніх хімічних зв'язків [19, 21].
При статичному збільшенні діючої на мікрооб'ємах сили, з досягненням величини напруг, що розтягують в поперечному перерізі зразка у всіх зв'язках до # 963; 1. хімічні зв'язки n 1. мають допустимі розривні напруги # 963; 1. розірвуться. За своєю конституцією атоми з розірваними зв'язками знаходяться в дисоційованому стані і представляють собою в'язку фазу в пружному твердому тілі [22] .тел стає пружно-в'язким, в ньому відповідальною за міцність є пружна тверда фаза.
З розривом найслабших зв'язків n 1 діюча в даний момент на мікрооб'ємах скла сила P миттєво перерозподілиться на решту зв'язку n - n 1 і на кожну з них в квазістатичному процесі буде діяти сила P / (n - n 1). Однак, в момент розриву найслабших зв'язків n 1 при миттєвому додатку навантаження, яку несли розірвалися зв'язки, до решти зв'язків, з'являється динамічна складова сили, що припадає на розрив зв'язків n 1. Загальна додана сила на решту зв'язку з урахуванням динамічної складової буде дорівнює подвоєною силою , що припадає на розрив найслабших зв'язків [20].
Коли розриваються найслабші зв'язку, система негайно реагує на цей факт. Розрив зв'язків у системі, що знаходиться в рівновазі, веде до зміни місця розташування інших атомів - система деформується для збереження стійкості. Подальше підвищення навантаження, що розтягує до напруг # 963; 2 на зв'язок призводить до розриву наступного рівня зв'язків n 2 і так далі, поки не відбудеться повний розрив тіла. Таким чином, у міру наростання навантаження відбувається послідовний розрив зв'язків, що мають допустимі розривні напруги менше створюваних діючою силою і інерційної складової розірвалися зв'язків. Навантаження миттєво перерозподіляється на решту зв'язку.
Розглянемо, що являє собою елементарний акт розриву хімічного зв'язку. При додатку навантаження, що розтягує відбувається дисоціація слабких зв'язків з малим допустимим подовженням. Навантаження після розриву слабких зв'язків несуть сильні зв'язки з максимально допустимими відносними подовженнями. Розрив різних за силою хімічних зв'язків добре демонструє механічна модель, коли послідовно розриваються зв'язку однієї групи за одною. Треба взяти n ниток різної довжини і зв'язати їх протилежні кінці у вузли, а потім розтягувати їх. Покладемо, що кожна нитка розривається при навантаженні P. то така система зруйнується не силоміць Pn. а силою P.
Якщо зразок зі скла не доводити до руйнування, то після зняття навантаження диссоційовані хімічні зв'язки асоціюють. Локальні мікророзриви в результаті дисоціації слабких зв'язків утворюються тільки в навантаженому розтягує силою склі.
До і після навантаження мікророзривів в склі немає. Стає зрозумілим, чому не були експериментально виявлені тріщини Гріффітса в ненапружених зразках скла. Для руйнування зразка локальні мікророзриви слабких зв'язків не мають істотного значення. Міцність скла визначається не сумою прочностей всіх хімічних зв'язків в площині розриву і не структурними микротрещинами, а міцністю найбільш сильних зв'язків.
Стійкість зразка при впливі сили, що розтягує P зберігається, коли P < # 963; # 943; (N - n # 943;), тобто в тілі є якийсь рівень питомих напруг на зв'язок # 963; # 943 ;. твір якого на кількість незруйнованих зв'язків перевищує діючу силу P. Якщо P> # 963; # 943; (N - n # 943;), відбувається руйнування наступного рівня зв'язків в тілі. Як зазначалося вище, динамічна складова сили P при розриві атомних зв'язків # 943; -го рівня вносить додаткове збільшення діючих напруг, що розтягують на інші зв'язку. Тому за своєю конституцією скло є дуже міцної матеріалом, незважаючи на неможливість розвитку в ньому дислокацій.
Процес руйнування скла являє собою послідовний розрив структурних груп хімічних зв'язків по їх силі. Після розриву найслабших зв'язків навантаження перерозподіляється на решту зв'язку. Хоча візуально зразок зберігає живий перетин, при рівні напружень, здатних зруйнувати найслабші зв'язку, настає лавиноподібний перенесення навантаження з динамічною складовою сили, розірвала цей рівень зв'язків, на інші зв'язку. Після послідовного розриву ряду рівнів зв'язків по їх силі при настанні перевантаження зв'язків, що залишилися ще цілими в певний момент часу, відбувається миттєве вибухоподібний їх руйнування. Механізм руйнування хімічних зв'язків скла зумовлює його низьку міцність на розтягнення.
1. Розроблено теорію розриву твердого абсолютно пружного тіла безпосередньо з механізму розриву хімічних зв'язків.
2. Дискретне розподіл хімічних зв'язків в склі по їх силі визначає його міцність на розтягнення.
3. Механізм руйнування скла при розтягуванні представляє послідовний розрив хімічних зв'язків по їх силі при лавиноподібне наростання напруги на ще не розірвані зв'язки.
4. Міцність скла визначається не сумою прочностей всіх хімічних зв'язків в перерізі розриву і не структурними микротрещинами, а міцністю найбільш сильних зв'язків.
5. У ненавантаженому скляному зразку відсутні структурні мікротріщини. Вони виникають при напружених розтягування в результаті дисоціації атомів слабких зв'язків. Зняття напруги призводить до асоціації слабких зв'язків.
6. Наявність в склі зв'язків з різною міцністю зумовлює, що скло - матеріал з низькою міцністю на розтягнення.
7. Низька міцність масивного скла на розтягування, більш ніж на два порядки нижче теоретичної, свідчить, що в основу побудови теорії про високої міцності скла покладені хибні уявлення про скло як аморфному тілі.
8. Теорія будови скла як полікристалічного абсолютно пружного твердого тіла з невизначеним складом структурних груп і різної їх механічної міцності успішно пояснює низьку міцність масивного скла на розтягування.
1. Ч.Уерт, Р.Томсон. Фізика твердого тіла, 142. Мир, М. 1 969.
2. Г.М.Бартенев. Надміцні і високоміцні неорганічні скла, 240. Стройиздат, М. 1974.
3. І.А.Богуславскій. Високоміцні загартовані стекла, 151. Стройиздат, М. 1969.
4. В.П.Пух. Міцність і руйнування скла, 155. Наука, Л. 1973.
5. У.Б.Хіллінг. В кн. Міцність скла, 68. Світ, М. тисяча дев'ятсот шістьдесят дев'ять.
6. Ф.Ф.Вітман, А.А.Берштейн, В.П.Пух. В зб. Міцність скла, 7. Мир, М. 1969.
7. А.Н.Лазарев. В кн. Структурні перетворення в стеклах при підвищених температурах, 233. Наука, М.-Л. 1965.
8. І.Нараі-Сабо. В зб. Склоподібний стан, 74. Наука, М.-Л. 1965.
9. С.М.Бреховскіх, В.М.Кулаков. В кн. Механічні і теплові властивості і будова неорганічних стекол, 36. ВНІІЕСМ. М. 1972.
10. A.A.Griffith. Phil. Trans. Roy. Soc. 163. ser. A, vol. 221, № 587, 1920.
11. С.Н.Журков. Неорг. матеріали, 3, № 10, 1767, 1967.
12. Ф.М.Ернсбергер. В кн. Міцність скла, 33. Світ, М. тисяча дев'ятсот шістьдесят дев'ять.
13. Ф.К.Алейніков. ДАН СРСР, 156, 154, 1964.
14. П.Я.Бокін. Механічні властивості силікатних стекол, 180. Наука, Л. 1970. Наступні
15. Т.А.Конторова, Я.І.Френкель. ЖТФ, 11, 173, 1941.
16. Б.Б.Чечулін. ЖТФ, 24, 292, 1954.
17. С.Н.Журков, Б.Н.Нарзуллаев. ЖТФ, 23, 1677, 1953.
18. С.Н.Журков. Укр. АН СРСР, 11, 78, 1957.