Различие между хрупкими и вязкими материалами
В материаловедении существует различие между хрупкими и вязкими материалами. Из ответа одного нерадивого студента:
первые разрушаются хрупко, а вторые - вязко.
Хрупкие материалы
В быту мы часто сталкиваемся с хрупкими материалами. Достаточно небольшого удара мастерком, чтобы кирпич раскололся. Достаточно задеть стоящую на краю стола хрустальную вазу - и последствия могут быть плачевными. Достаточно футбольному мячу встретиться с соседским окном - и стекольщик обеспечен работой. Все это следствия хрупкости материалов.
Вязкие материалы
Для вязких материалов такие действия совершенно безопасны. Разрушение вязких материалов обычно связано с их пластической деформацией, а хрупкие разрушаются практически без нее. Но это все внешне. Чтобы разобраться немного глубже, приведем пример.
Энергия разрушения хрупких и вязких материалов
Есть два одинаковых образца из различных материалов, один с из керамики, другой - из алюминия. Известно, что прочность этих материалов одинакова. Одинаковую ли работу надо совершить, чтобы разрушить образцы? Очевидно - разную. Силу надо приложить одинаковую.
Но поскольку при разрушении керамики деформация материала очень мала, то мало перемещение, на котором действует сила, а значит, мала работа, поскольку она рассчитывается как произведение силы на перемещение. Алюминий же, прежде чем разрушиться, вытягивается, сильно увеличивая свою длину, поэтому разрушающая сила действует на гораздо большем пути, чем в предыдущем случае, и работа оказывается во много раз больше.
Более глубокое различие между вязкими и хрупкими материалами состоит в величине энергии, затрачиваемой на их разрушение. Для вязких она больше, чем для хрупких. Когда требуется, чтобы конструкция работала надежно, нужно ее изготавливать из прочного материала. Это утверждение настолько естественно, что сомневаться в его истинности кажется неразумным.
Реальные материалы всегда содержат различные дефекты - скопления дислокаций, поры, микро- и макротрещины. Если образец деформируется, в нем накапливается упругая энергия. Материал всегда стремится избавиться от лишней энергии. Как он может это сделать? Очень просто - разрушиться. Тогда он не будет подвержен действию напряжений, а следовательно, перейдет в состояние с меньшим запасом энергии.
В этом случае, его общая энергия будет больше, чем в исходном (ненагруженном) состоянии, поскольку, разделившись на две части, он приобретает две новые поверхности, по которым шло разрушение. Атомы на этих поверхностях обладают избыточной энергией, называемой поверхностной. Но даже с учетом ее, суммарная энергия разрушенного образца меньше, чем нагруженного перед разрушением.
Различие между хрупкими и вязкими материалами в разном сопротивлении трещинообразованию
Материал может разрушиться только в результате распространения имеющихся в нем трещин. В процессе роста каждой трещины аккумулированная вокруг нее энергия высвобождается. По закону сохранения энергии она должна преобразоваться в другую энергию. В какую?
На этот вопрос А.Гриффитс дал четкий ответ: в хрупких материалах - в энергию вновь образуемых поверхностей трещины. Так он применил закон сохранения энергии к процессу разрушения. Если упругая энергия деформации хрупкого материала превысит величину энергии, необходимой для образования двух новых поверхностей, трещина начнет самопроизвольно расти, и материал разрушится.
Количество энергии, требуемое для разрушения, отнесенное к площади поперечного сечения, определяет вязкость разрушения, или трещиностойкость. Следовательно: различие между хрупкими и вязкими материалами - в разном сопротивлении распространению магистральных трещин.
В хрупком - трещинам вольготно, для их продвижения требуется немного энергии, а в вязком магистральные трещины вязнут, в нем им трудно продвигаться, потому что основная доля энергии расходуется на пластическую деформацию. А на образование новых поверхностей, связанных с распространением трещины, ее не хватает.
Пластическая деформация служит своеобразным клапаном, выпускающим опасный избыток упругой энергии. А в хрупких материалах такого клапана нет. Однако учитывать возможность развития трещин в пластичных материалах тоже нужно, поскольку выпускной клапан имеет ограниченную пропускную способность, и, начиная с какого-то момента, он не успевает справляться со своими функциями.
Тогда трещины начинают катастрофически расти и в вязком материале. Но главную опасность они представляют для хрупкого материала. Как бороться с ними? На первый взгляд, шансы на успешное решение задачи невелики. Природу материала не переделаешь. Если он хрупкий - так хрупкий.
Но не будем ограничиваться только первым взглядом. Как говорится, лучшее лекарство от любви с первого взгляда - посмотреть еще раз. Давайте посмотрим чуть глубже. Если природа не предусмотрела в хрупких материалах препятствий для трещин, значит, создать их должны мы. Как? Здесь самое время обратиться к композитам.
Композит из хрупких материалов
Если композит состоит из двух хрупких материалов, то пластичным он не станет. А вот стать вязким может вполне. Это означает, что пластическая деформация в нем не появится, но затормозить распространение магистральных трещин в нем можно другим путем.
Трещины в хрупких материалах
Прежде чем указать этот путь - несколько слов о повадках трещин в хрупких материалах. Чтобы побеждать врага, его нужно хорошо знать. Изучение поведения трещин под действием растягивающей нагрузки позволило выявить интересную особенность.
Кроме напряжений в окрестности кончика трещины возникают растягивающие напряжения, направленные горизонтально. В самом кончике трещины они практически отсутствуют, но зато чуть впереди, в еще не разрушенном материале, становятся весьма ощутимыми - их величина достигает 20 % от действующих напряжений.
Это рассчитали английские ученые Дж. Гордон и Дж. Кук. Особенность распределения напряжения вокруг трещины и удается использовать для борьбы с ней в композитах.
Отличие композитов от обычных материалов
Одно из основных отличий композитов от обычных материалов заключается в том, что они содержат большое число внутренних поверхностей раздела. В армированных композитах - это границы раздела между волокнами и матрицей, в слоистых - границы раздела между слоями. Прочность границ можно регулировать, это во власти технологов.
Рассмотрим, что произойдет, если трещина с поверхности начнет распространяться внутрь композита. Для примера возьмем стеклопластик - эпоксидную смолу, армированную стеклянными волокнами. И смола, и стекло сами по себе материалы хрупкие. А стеклопластик - вязкий, то есть обладает высокой трещиностойкостью. Потому что, когда трещина, зародившаяся в смоле начинает расти, она обязательно наткнется на границу раздела.
Если прочность сцепления смолы со стеклом меньше величины напряжений, то произойдет частичное расслоение композита. На образование расслоения тратится энергия, а значит, она отбирается от основной магистральной трещины. Когда к границе подойдет точка, в которой действуют самые опасные напряжения, трещина попадет в капкан - в расслоение.
Соединение этих трещин равносильно округлению магистральной трещины. А это значит, что концентрация напряжений вблизи вершины трещины уменьшится. Величина напряжений около вершины трещины во много раз больше величины внешнего растягивающего напряжения. Вокруг вершины трещины напряжения концентрируются, и эта концентрация тем больше, чем больше отношение длины трещины к радиусу ее вершины, то есть чем острее трещина.
Концентрация напряжений является тем механизмом, который позволяет реализовать стремление трещины увеличивать свои размеры в соответствии с энергетическим критерием Гриффитса. Она как колеса тележки, стоящей на вершине горы. Стремление съехать вниз у тележки есть, но его можно осуществить только при наличии колес. Без колес тележка не поедет, а трещина не будет расти без концентрации напряжений у ее вершины.
Резкое затупление вершины приводит к снижению концентрации напряжений и выключению основного механизма продвижения трещины, а следовательно, к ее остановке. Чтобы продвинуть трещину дальше, нужно увеличить напряжение. При этом опять на пути магистральной трещины окажутся препятствия в виде поверхностей раздела, отбирающие у нее энергию на образование менее опасных продольных расслоений.
И вместо одной поперечной трещины, которая легко разрушила бы материал, образуется множество мелких продольных трещин, которые, конечно, не очень украшают материал, но позволяют ему достаточно долго сохранять работоспособность. Для придания вязкости композиту, состоящему из двух хрупких компонентов, нужна вполне определенная (оптимальная) величина прочности связи между матрицей и волокнами.
Если она будет больше оптимальной, трещина не обратит внимания на границу раздела и пройдет дальше, разрушив все волокна, матрицу и материал в целом. Если связь будет слишком слабая, расслоения могут оказаться очень большими и привести к сильному разупрочнению композита в целом.
А когда связь между компонентами оптимальна, композит из хрупких составляющих окажется вязким, поскольку для своего разрушения будет требовать больших расходов энергии. Так в композитах реализуется формула хрупкость + хрупкость = вязкость. Получается, что нужно сделать материал менее прочным (ослабить границы раздела), чтобы выиграть в вязкости, а тем самым - в надежности. Как говаривал один из героев Феликса Кривина:
...все ищут, где лучше, а когда все ищут, где лучше, становится хуже всего. Чтобы найти, где лучше, надо искать, где хуже.
В композитах хуже всего на границах раздела - обычно здесь самые слабые места. Оказывается, эти слабости являются необходимым условием силы. Отбирать у трещин энергию в композитах можно и по-другому. Представьте себе хрупкую матрицу, армированную хрупкими короткими упрочняющими волокнами.
Например, керамику, упрочненную керамическими усами. Повышать вязкость такого материала можно, вытягивая волокна из матрицы. Затраты энергии на вытягивание при оптимальных прочности сцепления и длине волокон могут значительно превосходить работу разрушения каждого компонента в отдельности.
Способы повышения вязкости материалов
В хорошо сконструированном композите энергия должна расходоваться и на вытягивание волокон, и на расслоение. Здесь трещина продвигается перпендикулярно к волокнам. Вблизи ее вершины разрушаются границы раздела и появляются малые сдвиги волокон относительно матрицы, а в области самой трещины происходит интенсивное вытягивание волокон из матрицы, сопровождаемое потерями энергии на трение.
Такой композит будет вязким, даже если волокна и матрица хрупкие. Существуют и более простые способы повышения вязкости материалов, например, армирование хрупких матриц вязкими волокнами или создание слоистых систем, состоящих из чередующихся высокопрочных хрупких и менее прочных вязких прослоек.
Например, бериллий очень привлекает ученых и инженеров уникальным сочетанием низкой плотности (1800 кг/м3
) и высокого модуля упругости (290 ГН/м
2), но его использование в качестве конструкционного материала затруднено из-за очень большой хрупкости. А вот композит со структурой слоеного пирога, состоящий из чередующихся слоев бериллия и алюминия, обладает приемлемой вязкостью.
В отличие от чистого бериллия, разрушающегося сразу по всему сечению, в этом «пироге» слои разрушаются постепенно, друг после друга, рост трещины легко можно контролировать - при переходе из бериллиевого слоя в алюминиевый кончик трещины затупляется в результате пластической деформации алюминия, которая съедает большую часть ее энергии. Это неизбежно вызывает торможение или даже остановку трещины.
Способ управления хрупкостью материала
Есть еще один способ управления хрупкостью материала. Различие между хрупким и вязким материалом состоит в том, что хрупкий материал боится, растягивающих напряжений, которые вызывают раскрытие трещин. А сжимающие напряжения для него не опасны, наоборот, они способствуют захлопыванию трещин, а значит, повышают вязкость.
Для создания композита можно выбрать два компонента, один из которых хрупкий, а другой - вязкий, причем линейный коэффициент термического расширения хрупкого компонента должен быть меньше, чем вязкого, например, хрупкая керамика, упрочненная металлическими проволоками. Конечная стадия получения таких материалов, как правило, включает термообработку (спекание, обжиг, отжиг и др.), требующую нагрева до высоких температур.
При охлаждении металлические проволоки стремятся стать короче, чем керамика, так как их коэффициент термического расширения больше. При этом они сжимают керамическую матрицу, а сами находятся под действием растягивающих напряжений. Но поскольку волокна вязкие, эти напряжения большой опасности для них не представляют.
Зато сжимающие напряжения в хрупкой матрице снижают опасность роста трещин, существенно затрудняя их раскрытие под действием внешних напряжений. Еще большего эффекта можно добиться, применяя предварительно напряженные композиты, например, железобетон. Железобетон - это бетон, армированный стальными прутья ми. Получают его, заливая арматуру бетоном.
А вот если вначале прутья растянуть, в таком состоянии залить бетоном и дать ему застыть, то после снятия растягивающей нагрузки прутья, стремясь уменьшить свою длину, будут сжимать бетон. Такой железобетон намного лучше работает на растяжение, чем обычный. Трещина, попадая в хрупкий бетон, тормозится сжимающими напряжениями, которые действуют в нем.