În știința materialelor, există o diferență între materialele fragile și vâscoase. Din răspunsul unui student neglijent:
primele sunt fragile, iar cele din urmă sunt vâscoase.
Materiale fragile
În viața de zi cu zi, întâlnim deseori materiale fragile. Este suficient să folosiți o mistrie mică pentru a rupe cărămida. Este suficient să atingeți vaza de cristal care se află pe marginea mesei - iar consecințele pot fi deplorabile. Este suficient ca un fotbal să se întâlnească cu fereastra unui vecin - iar geamul este prevăzut cu o muncă. Toate acestea sunt consecințe ale fragilității materialelor.
Materiale vâscoase
Pentru materialele vâscoase, astfel de acțiuni sunt complet sigure. Distrugerea materialelor vâscoase este de obicei asociată cu deformarea lor plastică, iar fracturile fragile sunt distruse aproape fără ea. Dar totul este exterior. Pentru a înțelege mai adânc, să oferim un exemplu.
Energia de distrugere a materialelor fragile și vâscoase
Există două mostre identice de materiale diferite, una cu ceramică. celălalt este fabricat din aluminiu. Se știe că rezistența acestor materiale este aceeași. Trebuie să faceți același lucru pentru a distruge eșantioanele?
Evident - diferit. Forța trebuie aplicată la fel. Dar, deoarece deformarea materialului este foarte mică odată cu distrugerea ceramicii, există puțină mișcare, asupra căreia forța acționează și, prin urmare, o mică muncă, deoarece este calculată ca produsul forței de mișcare.
Aluminiu, înainte de a se prăbuși, se întinde, se mărește considerabil, astfel încât forța distructivă acționează pe o cale mult mai mare decât în cazul precedent, iar lucrarea se dovedește a fi de multe ori mai mare.
O diferență mai profundă între materialele vâscoase și cele fragile este magnitudinea energiei. cheltuite pentru distrugerea lor. Este mai vâscos decât pentru cele fragile.
Atunci când este necesar ca structura să funcționeze în mod fiabil, este necesar să se facă din material durabil. Această afirmație este atât de naturală încât este nerezonabil să ne îndoim adevărul.
Materialele reale conțin întotdeauna diverse defecte - congestii de dislocări, pori, micro- și macro-fisuri. Dacă eșantionul este deformat, în el se acumulează energie elastică.
Materialul încearcă întotdeauna să scape de energia inutilă. Cum poate face asta? Este foarte simplu - să se prăbușească. Apoi nu va fi supusă unor solicitări și, în consecință, va intra într-o stare cu o rezervă de energie mai mică. În acest caz, energia sa totală va fi mai mare decât în starea inițială (neîncărcată), deoarece, divizată în două părți, ea dobândește două noi suprafețe de-a lungul cărora sa produs distrugerea. Atomii de pe aceste suprafețe au exces de energie, numit energia suprafeței. Dar chiar și în acest sens, energia totală a probei distruse este mai mică decât cea a celei încărcate înainte de distrugere.
Diferența dintre materialele fragile și vâscoase în diferite rezistențe la rupere
Materialul se poate prăbuși numai ca rezultat al răspândirii fisurilor în el. În timpul creșterii fiecărui fisură, energia acumulată în jurul acestuia este eliberată. Conform legii conservării energiei, ea trebuie transformată într-o altă energie. Care dintre ele?
La această întrebare, A. Griffiths a dat un răspuns clar: în materiale fragile - în energia suprafețelor de fisuri nou formate. A aplicat astfel legea conservării energiei în procesul de distrugere.
Dacă energia de deformare elastică a materialului fragil depășește cantitatea de energie necesară pentru a forma două noi suprafețe, fisura va începe să crească spontan, iar materialul se va prăbuși. Cantitatea de energie necesară pentru rupere, raportată la suprafața secțiunii transversale, determină rezistența la rupere sau duritatea fracturilor.
În consecință: diferența dintre materialele fragile și vâscoase - în rezistență diferită la propagarea fisurilor principale. În fragile - crăpăturile sunt libere, pentru că promovarea lor necesită puțină energie, iar în fisurile vâscoase este dificil să se deplaseze înainte, deoarece cea mai mare parte a energiei este cheltuită pentru deformarea plastică. Și pe formarea de suprafețe noi asociate cu răspândirea crack-ului, nu este suficient.
Deformarea plastică servește ca un fel de supapă care eliberează un exces periculos de energie elastică. Și nu există o astfel de supapă în materialele fragile. Cu toate acestea, este necesar să se ia în considerare și posibilitatea producerii fisurilor în materiale ductile, deoarece supapa de evacuare are o capacitate limitată și, începând de la un moment dat, nu reușește să facă față funcțiilor sale. Apoi, fisurile încep să crească catastrofic într-un material vâscos. Dar pericolul principal pe care îl reprezintă pentru materialul fragil. Cum să ne ocupăm de ele?
La prima vedere, șansele unei soluții reușite a problemei nu sunt mari. Natura materialului nu poate fi schimbată. Dacă este fragilă - atât de fragilă. Dar nu ne vom limita la prima vedere. După cum se spune, cel mai bun medicament pentru iubire la prima vedere este să te uiți din nou. Să arătăm mai adânc. Dacă natura nu prevede obstacole în materialele fragile pentru fisuri, atunci trebuie să le creăm. Cum? Este timpul să vă întoarceți la compozite.
Compozit din materiale friabile
Dacă compozitul constă din două materiale fragile. atunci el nu va deveni plastic. Dar poate deveni vâscos. Aceasta înseamnă că deformarea plastică nu va apărea în ea, dar este posibil să se oprească propagarea principalelor fisuri în ea într-un mod diferit.
Fisuri din materiale fragile
Înainte de a specifica această cale - câteva cuvinte despre obiceiurile de fisuri din materiale fragile. Pentru a învinge inamicul, trebuie să o cunoști bine. Studiul comportamentului fisurilor sub acțiunea unei sarcini de tracțiune a făcut posibilă dezvăluirea unei trăsături interesante.
Stresul care acționează în secțiunea transversală a unei fisuri tind să deschidă o fisură, datorită căreia crește. Cea mai mare valoare a acestor solicitări se află direct la vârful crack-ului și scade rapid cu distanța de la acesta.
În plus față de solicitările în vecinătatea vârfului crackului, se produc tensiuni de întindere orientate orizontal. La vârful crack-ului sunt practic absente, dar ușor înainte, în materialul care nu este încă distrus, devin foarte vizibile - magnitudinea lor atinge 20% din eforturile de lucru. Acest lucru a fost calculat de către oamenii de știință englezi J. Gordon și J. Cook. O caracteristică a distribuției stresului în jurul unei fisuri și poate fi folosită pentru combaterea compozițiilor.
Diferența dintre compozite și materiale obișnuite
Una dintre principalele diferențe dintre compozite și materiale convenționale este că acestea conțin un număr mare de interfețe interne. În compozite întărite - aceasta este interfața dintre fibre și matrice, în straturi - interfața dintre straturi. Puterea granițelor poate fi reglementată, este în puterea tehnologilor.
Luați în considerare ceea ce se întâmplă dacă o fisură de la suprafață începe să se răspândească în compozit. De exemplu, luați fibră de sticlă - rășină epoxidică, armată cu fibră de sticlă.
Atât rășina cât și sticla sunt materiale fragile singure. O fibră de sticlă - vâscoasă, adică are o rezistență ridicată la fisurare. Pentru ca atunci cand o fisura care incepe in rasina incepe sa creasca, va intra in mod inevitabil peste interfata. Dacă rezistența aderenței rășinii la sticlă este mai mică decât valoarea de tensiune, atunci va avea loc o delaminare parțială a compozitului. Energia este cheltuită pentru formarea pachetului, ceea ce înseamnă că acesta este luat de pe principala fisură principală.
Când punctul în care funcționează cele mai periculoase tensiuni se apropie limita, fisura va cădea în capcana - în pachet. Combinația acestor fisuri este echivalentă cu rotunjirea fisurii principale. Aceasta înseamnă că concentrația de tensiune în apropierea vârfului fisurii scade.
Tensiunile din apropierea vârfului fisurii sunt de multe ori mai mari decât tensiunea externă de tracțiune. În jurul vârfului, fisurile sunt concentrate, iar această concentrație este mai mare, cu atât mai mare este raportul dintre lungimea crack-ului și raza vârfului său, adică, cu cât fisura este mai clară.
Concentrația de stres este mecanismul care face posibilă realizarea tendinței de spargere a creșterii dimensiunilor sale în conformitate cu criteriul de energie al lui Griffith. Este ca roțile unui cărucior stând pe un munte. Dorința de a se deplasa în jos căruciorul este, dar se poate face numai cu prezența roților. Fără roți, căruciorul nu va merge, iar fisura nu va crește fără concentrația de stres la vârf.
O estompare puternică a vârfului duce la o scădere a concentrației de tensiuni și la oprirea mecanismului principal al propagării fisurilor și, în consecință, la stoparea acestora. Pentru a mișca mai mult fisura, trebuie să măriți tensiunea. Din nou, în calea fisurii principale, vor exista obstacole sub formă de interfețe, care iau energie din ea pentru a forma stratificări longitudinale mai puțin periculoase.
Și în loc de o fisură transversală, care ar distruge ușor materialul, se formează multe fisuri longitudinale mici, care, bineînțeles, nu împodobesc foarte mult materialul, dar îl permit să rămână funcțional pentru o lungă perioadă de timp.
Pentru a conferi o viscozitate unui compozit compus din două componente fragile, este necesară o rezistență destul de clară (optimă) a legăturii dintre matrice și fibre. Dacă este mai optimă, fisura nu va acorda atenție interfeței și nu merge mai departe, distrugând toate fibrele, matricea și materialul în general.
Dacă conexiunea este prea slabă, fasciculele pot fi foarte mari și pot duce la o înmuiere puternică a compozitului în ansamblu. Iar atunci când conexiunea dintre componente este optimă, compoziția componentelor fragile se va dovedi a fi vâscoasă, deoarece pentru distrugerea ei va necesita o cheltuială mare de energie.
Astfel, în compozite, formula se realizează friabilitate + fragilitate = vâscozitate. Se dovedește că trebuie să faceți materialul mai puțin durabil (slăbirea interfeței) pentru a câștiga în viscozitate, și astfel - în fiabilitate.
După cum spunea unul dintre eroii lui Felix Krivin:
... toată lumea caută unde este cel mai bine, iar când toată lumea caută, unde este mai bine, se agravează. Pentru a găsi unde este mai bine, trebuie să căutăm unde este mai rău.
În compozite, cel mai rău este la interfețe - de obicei cele mai slabe locuri aici. Se pare că aceste slăbiciuni sunt o condiție necesară pentru putere.
Energia din compozite poate fi selectată într-un mod diferit de crăpături.
Imaginați-vă o matrice fragilă, întărită cu fibre scurte de întărire. De exemplu, ceramica întărită cu mustăți ceramice. Creșteți vâscozitatea unui astfel de material trăgând fibrele din matrice. Costurile de energie pentru întinderea la rezistența optimă a legăturii și lungimea fibrei pot depăși în mod semnificativ activitatea de distrugere a fiecărui component individual.
Metode de creștere a vâscozității materialelor
Într-un compozit bine conceput, energia trebuie consumată atât pentru tragerea fibrelor, cât și pentru stratificare. Aici, crackul se propagă perpendicular pe fibre. Aproape de prăbușirea sa de sus a interfeței și apar schimbări mici în raport cu fibrele matricei, iar în cea mai intensă fisura se produce intinderea fibrelor matricei însoțită de pierderi de energie din cauza frecării. Un astfel de compozit va fi vâscos, chiar dacă fibrele și matricea sunt fragile.
Există, de asemenea, modalități mai simple de a mări vâscozitatea materialelor. de exemplu, armarea cu matrice friabilă cu fibre vâscoase sau crearea de sisteme stratificate constând din straturi vâscoase alternate cu rezistență ridicată și mai puțin durabile.
De exemplu, beriliu foarte cercetători și ingineri au atras combinație unică de joasă densitate (1800 kg / m3) și un modul ridicat de elasticitate (290 GN / m 2), dar utilizarea sa ca material structural este dificilă din cauza friabilitate foarte ridicat. Dar compozitul cu structura unui tort de puf, constând din straturi alternante de beriliu și aluminiu, are o vâscozitate acceptabilă.
Spre deosebire de beriliu pur, colaps din întreaga secțiune transversală, în aceste straturi de „tort“ sunt treptat distruse, una după cealaltă creștere, fisura este ușor posibil controlul - în timpul tranziției de la stratul de beriliu într-o crăpătură vârf aluminiu tocite prin deformarea plastică a aluminiului, care consumă o mare o parte din energia sa. Acest lucru determină în mod inevitabil frânarea sau chiar oprirea fisurii.
În mod similar, este posibilă construirea compozitelor: oțel de înaltă rezistență - cupru, ceramică - metal moale, polimer - metal, oțel dur - oțel moale etc.
O metodă pentru controlul fragilității unui material
Există un alt mod de a gestiona fragilitatea materialului. Diferența dintre materialul fragil și vâscos este faptul că materialul fragil se teme de solicitările de tracțiune care provoacă deschiderea fisurilor. Un efort de compresie nu este periculos pentru el, dimpotrivă, ele contribuie la prăbușirea fisuri, și, prin urmare, crește vâscozitatea. Pentru a crea un compozit din două componente pot fi alese, unul fragil, celălalt - vâscos, iar coeficientul liniar de dilatare termică al componentului casant trebuie să fie mai puțin vâscoase decât ceramice fire metalice întărite de exemplu fragile.
Etapa finală de preparare a unor astfel de materiale implică de obicei un tratament termic (sinterizare, ardere, recoacere, etc.), care necesită o încălzire la temperaturi ridicate. Când se răcește, firele metalice tind să devină mai scurte decât ceramica, deoarece coeficientul lor de dilatare termică este mai mare. În același timp, ele comprimă matricea ceramică și ele însele se află sub acțiunea solicitărilor de tracțiune. Dar din moment ce fibrele sunt vâscoase, aceste tensiuni nu reprezintă un pericol major pentru ei. In schimb, tensiuni de compresiune în matricea casantă reduce pericolul creșterii fisurii, împiedicând semnificativ deschiderea lor sub influența tensiunilor externe.
Un efect și mai mare poate fi obținut prin aplicarea compozitelor precomprimate, de exemplu, a betonului armat. Betonul armat este armat cu bare de oțel. Ia-o prin turnarea armăturii cu beton. Dar, în cazul în care primele bare dintr-o porțiune de acest gen se toarnă beton si da-l sa se intareasca, după îndepărtarea barelor de sarcină la tracțiune într-un efort de a reduce lungimea sa va comprima betonul. Aceste lucrări din beton armat sunt mult mai bune la întindere decât în mod normal. Crăpătura, care intră în beton fragil, este împiedicată de eforturile de compresiune care acționează în ea.
Utilizarea unei combinații de materiale fragile și vâscoase în compozite permite creșterea nu numai a rezistenței și rigidității structurilor, ci și a vâscozității lor.