Курс лекций: Строительные материалы

- в период роста пластической деформации упругая составляющая остается неизменной (ВС);

- после снятия нагрузки исчезает упругая деформация (СД);

- (ДЕ) - пластическая деформация.

Разделение упругой и пластической деформаций, улучшение пластических свойств материала -- достаточно сложные, но подчас необходимые операции при создании новых технологий переработки, обработки, формования различных материалов и получении материалов с заданными свойствами.

Причины и механизм образования пластических деформаций

Напомним, что при приложении к твердому телу внешней силы, величина которой превышает предел текучести а возникает пластическая деформация, образующаяся в результате скольжения плоскостей атомной решетки благодаря напряжению сдвига. Напряжение, необходимое для смещения ряда атомов вдоль некоторой плоскости, как показано на рис.2.11, можно определить по формуле:

у_т = (G/2р)(b/h),

где G-- модуль сдвига;

b -- расстояние между атомами в направлении скольжения;

h -- расстояние между плоскостями скольжения.

Следует заметить, что во время скольжения плоскостей каждый атом перемещается не вдоль прямой линии расположения соседних атомов, где необходимо преодолевать высокий энергетический барьер, а по зигзагу через места с низкими энергетическими барьерами, и поэтому значение у_T должно быть на порядок ниже. Например, для Al₂O₃ теоретическое значение у_T = 1,7х 10⁵МПа, а реальное в 17 раз меньше. Тот факт, что экспериментальные значения оказываются гораздо меньше теоретических, можно отнести почти ко всем другим твердым материалам, а также металлам.

Рис. 2.11. Отклонения в расположении атомов под воздействием напряжения сдвига

Способность различных материалов к пластической деформации и механизм ее образования можно объяснить с помощью понятия “дислокации”. Если к кристаллу приложить усилие, вызывающее напряжение сдвига, то происходит скольжение его верхней и нижней частей во взаимно противоположных направлениях. В результате этого возникают дислокации, т.е. линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Поскольку дислокация в кристалле обладает собственным полем напряжений, возникающим от действия внешних сил, она также испытывает силу, под действием которой приходит в движение, результатом чего является взаимное “проскальзывание” атомных плоскостей, или пластическая деформация.

Каждый раз при перемещении дислокации в плоскости скольжения разрываются и возникают новые связи не между всеми атомами на плоскости скольжения, а только между теми атомами, которые находятся у линии дислокации. Поэтому пластическая деформация сдвига происходит при сравнительно малых внешних напряжениях, которые значительно ниже теоретических, т.е. без дислокаций.

Плоскость скольжения образуется в кристалле лишь на участках со слабой связью между атомами. При этом скольжение происходит в направлении самого низкого энергетического барьера, который необходимо преодолеть. Механизм скольжения, основанный на движении дислокаций, можно идентифицировать с перемещением по полу ковра с предварительно созданной складкой. На рис. 2.12. приведен пример систем скольжения в кристалле поваренной соли.

Рис. 2.12. Системы скольжения в кристаллах типа NаСl

Если приложить к кристаллу внешнюю силу в каком-то направлении, то на скольжение в кристалле будут эффективно влиять только те составляющие внешней силы, которые соответствуют системам скольжения. Исходя из этого, можно заключить, что чем больше вероятность реализации системы скольжения, тем выше пластические деформации кристалла. Очевидно, что в металлах такая вероятность значительно выше, чем в природных каменных материалах и керамике.

Подвижность дислокаций, обеспечивающая пластические свойства кристалла, ограничивается не только прочностью межатомных связей, но и рассеянием фононов и электронов проводимости в упругоискаженной области кристалла. Кроме того, движению дислокации мешают также упругое взаимодействие с другими дислокациями и с примесными атомами межзеренными границами в поликристаллах и пр. На преодоление отмеченных препятствий затрачивается часть работы внешних сил. Из этого следует, что реальный кристалл (с дислокациями) «мягче» или пластичнее бездефектного, но если плотность дислокаций становится выше критического значения, то он становится более прочным и «жестким».

Дислокации, как и иные дефекты кристаллов, влияют не только на такие их свойства, как пластичность и прочность, но и на другие физические свойства кристаллов. Например, с увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее трение, изменяются оптические свойства, повышается электрическое сопротивление (металлов). Дислокации увеличивают скорость диффузии в кристаллах, ускоряют процессы старения, увеличивают химическую активность и уменьшают стойкость кристаллических структур в различных средах.

Таким образом, пластичность наряду с упругостью является важнейшей характеристикой твердых тел. Пластические деформации, возникающие в теле под действием внешних сил, позволяют судить о характерных особенностях структуры того или иного материала в двух основных аспектах:

1. Появление пластических деформаций -- свидетельство начала разрушения структуры материала. Это позволяет:

- определить запасы прочности, деформируемости и устойчивости структуры;

- снизить материалоемкость изделий и конструкций;

- обеспечить их наиболее рациональное функционирование, надежность и безопасность;

- повысить сопротивляемость тел ударным нагрузкам, снизить концентрацию напряжений в материале.

2. Наличие значительных пластических деформаций -- положительный момент для обеспечения качественного формования и обработки твердых тел давлением (прокатка, штамповка, ковка и т. п.).

Хрупкость

Если при нагружении твердых тел возникают преимущественно упругие деформации, а пределы текучести и прочности имеют близкие значения, то такие тела называются хрупкими. (У идеально хрупких тел у_Т =R_пр).

Хрупкие тела разрушаются почти мгновенно, с едва заметной деформацией.

Отсюда следует, что хрупкость -- свойство материала разрушаться при незначительной, преимущественно упругой, деформации, при напряжениях, средний уровень которых несколько ниже предела текучести.

Эластичность

Эластичность (от греч. е1аstos -- гибкий, тягучий) -- способность материала или изделия испытывать значительные упругие (обратимые) деформации без разрушения при сравнительно небольших усилиях. Такой способностью обладают каучуки (натуральные и синтетические), резина, некоторые, в основном линейные, полимеры. Благодаря этой способности их обычно называют эластомерами.

В отличие от упругости кристаллических материалов и стекол, обратимые деформации которых составляют доли процента или несколько процентов, упругие деформации эластомеров достигают 100% и более. Это связано с особым состоянием полимеров, которое называется высокоэластическим.

Высокоэластическое состояние является устойчивым в определенном для каждого полимера интервале температур, ниже которого полимер находится в стеклообразном состоянии, а выше -- в вязко - текучем состоянии.

Прочность

Под прочностью в широком смысле слова понимают способность материалов сопротивляться разрушению, происходящему в результате действия внешних сил. Кроме того, причиной разрушения материала могут быть такие факторы, как неравномерно протекающие тепло- и массообменные процессы, действие электрических и магнитных полей и многие другие физические и физико-химические процессы и явления.

Критерии прочности

Критериями прочности в зависимости от класса материала, вида напряженного состояния (растяжение, сжатие, сдвиг и др.) и условий эксплуатации (температура, время действия нагрузки и пр.) могут быть временное сопротивление, предел текучести, предел усталости и другие виды сопротивления.

Прочность строительных материалов чаще всего оценивают временным сопротивлением, или пределом прочности «R», определяемым при данном виде деформации. для хрупких материалов (природных и искусственных каменных материалов) основными прочностными характеристиками являются пределы прочности при сжатии и изгибе, а для эластичных (полимеры) -- предел прочности при растяжении, которые определяются по формулам:

R_сж = F_сж/А; R_р = F_р /A R_и = M / W

где R_сж, R_р R_и -- соответственно пределы прочности при сжатии, растяжении и изгибе, МПа;

F_сж и F_р -- соответственно разрушающее усилие при сжатии и растяжении, Н;

А -- площадь поперечного сечения испытуемого образца, м²;

М -- наибольший изгибающий момент, Н*м;

W - момент сопротивления сечения образца, м³.

Факторы, влияющие на показатель прочности

Полученные показатели пределов прочности материалов (особенно предела прочности при сжатии) носят условный характер, так как при испытании на конечный результат существенное влияние оказывают различные факторы:

- размер и форма образца;

- время и скорость приложения нагрузки;

- тепловлажностные условия проведения испытаний;

- методы испытаний и особенности конструкций испытательных машин.

Влияние размера и формы образца на показатели предела прочности при сжатии обусловлено двумя факторами: образованием при сжатии поперечных растягивающих усилий и наличием в большем объеме образца большего количества дефектов структуры, влияющих на прочностные свойства материала.

При одноосном сжатии, благодаря наличию у образца свободных вертикальных поверхностей, образуются поперечные растягивающие усилия. Между опорными гранями образца и плитами пресса эти усилия уравновешиваются силами трения. По мере удаления от поверхности образца действие сил трения уменьшается и растягивающие усилия растут, достигая своего максимума к середине образца (по высоте). Чем больше расстояние между опорными плитами образца при сжатии, т.е. h_к h_пр (рис. 5.28), тем меньше силы трения в середине образца и выше результирующие растягивающие усилия. Поэтому предел прочности при сжатии у образцов кубической формы выше, чем у призм.

Случайное распределение структурных неоднородностей по объему и поверхности образца приводит к различным значениям прочности в разных локальных участках структуры. Прёдел прочности всего образца определяется прочностью самого слабого участка.

Вероятность встретить в образце слабое место тем больше, чем больше его объем. Поэтому разрушающее напряжение малых образцов выше, чем больших из того же материала. Особенно это заметно при сравнении пределов прочности при растяжении изделий, резко различающихся по сечению, таких, как стержень, проволока, волокно. Чем меньше сечение изделия, тем меньше его удельный объем и поверхность, а следовательно, меньше вероятность наличия в нем дефектов (табл. 2.13).

Рис. 2.13. Схемы сжатия образцов: а - поперечное расширение при сжатии эластичных тел; б - изменение сил трения при сжатии хрупких тел кубической и призматической формы

Ввиду этих особенностей в строительстве все чаще используются тросы и канаты, сплетенные из тонкой проволоки, а в текстильной промышленности - нити, сплетенные из тончайших волокон.

Следует заметить, что значительное количество дефектов в виде микротрещин, выступов, шероховатостей и т. д. образуется на поверхности изделия, так как при формировании структуры поверхность слоя испытывает большие напряжения, чем внутренние слои материала. Полировка поверхности нивелирует эти дефекты, а защитные покрытия препятствуют их развитию, увеличивая прочность изделия.

Таблица 2.9 Предел прочности при растяжении материалов различной формы

Скорость приложения нагрузки также оказывает влияние на конечный результат при испытании. Значение разрушающего напряжения оказывается, как правило, выше, если образец разрушен в короткий промежуток времени. Напротив, значение разрушающего напряжения такого же образца, разрушенного медленно, оказывается более низким.

Поскольку для хрупких материалов разрушение рассматривается как процесс зарождения и роста трещин, время от момента приложения нагрузки до момента разрушения характеризует жизнеспособность материала, которую в материаловедении принято называть долговечностью.