- Подробности
- Автор: Штырев Н.А.
- Родительская категория: Categories RU
- Категория: Предисловие
- Опубликовано: 13 Июнь 2013
- Просмотров: 3143
Структурно-энергетическая теория прочности.
В физической теории рассматриваются волновые свойства микроскопической кинетической молярной энергии статистической термодинамической системы состоящей из макроскопического количества характеристических разрушительных флуктуаций в равновесном и квазиравновесном состоянии. Показан общий кинетический корпускулярно-волновой физический принцип формирования полей давления, механических напряжений и температуры в газообразном и твердом фазных состояниях конденсированной среды. Молярные структурно-энергетические кинетические параметры и зависимости характеризуют физические процессы необратимого деформирования и разрушения твердых тел. Уравнение равновесия молярной энергии в деформированном твердом теле отображает разрушение коллективных волновых атомных структурно-энергетических связей с течением времени. Молярные структурно-энергетические физические свойства и параметры состояния деформированного твердого тела обоснованы экспериментально и теоретически. Уравнение равновесия молярной энергии, молярные зависимости характеристики и параметры позволяют аналитически определять основные механические показатели прочности, долговечности, усталости, пластические деформации, поврежденность, теплообразование и другие физико-механические параметры состояния деформированного твердого тела при переменных и сложных нагрузках.
Основные предпосылки для разработки структурно-энергетической кинетической теории прочности и исследований физической природы напряжений:
- Необходимость разработки теории и методов расчетов прочности, на основе кинетической концепции, применительно к условиям сложного напряженного состояния и нестационарных знакопеременных нагрузок конструкционных материалов.
- В экспериментальных исследованиях кинетической концепции С.Н. Журкоава установлено, что значение структурного коэффициента \(\gamma_o\) не зависит от уровня напряжений, определяется начальным структурно-физическим состоянием материала, зависит от вида напряженного состояния (тензора напряжений). Какова физическая природа этих явлений?
- В концепции С.Н. Журкоава априори считается, что уровень напряжений и время их релаксации, не влияет на вид основного уравнения (1).
- В концепции экспериментально выявлена качественная связь структурного коэффициента \\\\(\\\\gamma_o\\\\) материала от параметров термической обработки и структурно-физического состояния материалов, вида напряженного состояния, при этом энергия активации разрушения практически не изменяется в широком диапазоне нагрузок и условий деформирования.
- Экспериментально установлено, что структурный коэффициент \\\\(\\\\gamma\\\\) зависит от времени и параметров испытаний материала, поэтому можно предположить о существовании некоторой структурно чувствительной функции \\\\(\\\\gamma(t,\\\\sigma,T,\\\\gamma_o)\\\\) Необходимо установить начальное или среднее значение структурного коэффициента \\\\(\\\\gamma\\\\) в основном уравнении концепции.
- В теории упругости, закон Гука, отсутствует физическое обоснование причин поперечных деформаций в условиях одноосного напряженного состояния, формально в поперечном направлении механические напряжения отсутствуют. Таким образом, коэффициент поперечных деформаций в деформированной твердой среде не имеет физического толкования, имеется только феноменологическая связь поперечных и продольных деформаций. Величина коэффициента Пуассона существенно зависит от структурно-физических параметров материала. Для значительных деформаций (пластические деформации и упругие соизмеримы) коэффициент поперечных деформаций представляет некоторую, не исследованную функцию структурно-физических параметров.
- В экспериментальных исследованиях монокристаллов и поликристаллических тел установлено значительное влияние на прочность кристаллов и конгломерата кристаллов состояния их внешней поверхности (граничных объемов структурных составляющих). Физико-химическое состояние жидкой или твердой среды, внешней по отношению к поверхности кристаллов и монокристаллов СЕ, позволяет влиять (увеличить, уменьшить) на прочность, вплоть до теоретических значений прочности кристаллов.
- Энергия сублимации и активации разрушения твердых тел характеризует энергию коллективного взаимодействия атомов находящихся у поверхности идеальных структурных единиц.
- Подобие в физическом характере поведения экспериментальных зависимостей, графиков долговечности от различных факторов температуры и механических напряжений.
- Физический параметр \\\\(\\\\tau_o\\\\), в основном уравнении кинетической концепции, характеризует коллективную частоту (не единичного атома) тепловых колебаний атомов твердого тела: \\\\(\\\\nu_o=\\\\frac{1}{\\\\tau_o}\\\\).
- Необходимость разработки методов расчета прочности, разрушения, деформирования материалов принципиально нового структурно-физического строения, для которых необходимо создавать физические модели поведения деформируемой среды, критерии предельного состояния. Потребность учитывать различные факторы физического воздействия на формирование структуры и свойства прочности твердого тела с момента отвердевания, кристаллизации.
- Необходимость установления аналитической связи, между физическими экспериментально выявленными свойствами хрупких материалов приобретать высокую пластичность и прочность, в условиях всестороннего сжатия (влияние шарового тензора) твердой среды.
- Прочность и долговечность материалов при влиянии различных физических факторов: температура (температурные циклы), радиация, химические среды, коррозия, вибрация, электрический ток и др. Например экспериментально выявленная связь влияния на свойства пластичности материала электрического тока малых величин пропускаемого через деформируемый образец.
- В экспериментальных исследованиях кристаллических тел обнаружен автоколебательный характер микроскопических пластических деформаций, обусловленный скачкообразным спонтанным взаимным относительным проскальзыванием поверхностей фрагментов микрокристаллов находящихся в поле механических напряжений всего кристаллического тела. Механизм микро-деформирования Френкеля-Эйринга.
- Подробности
- Автор: Штырев Н.А.
- Родительская категория: Categories RU
- Категория: Предисловие
- Опубликовано: 13 Июнь 2013
- Просмотров: 3131
В результате экспериментальных исследований различных твердях материалов под действием постоянных напряжений \((0.2 \div 400 кГ/мм^2)\), при различных температурах \((196 \div 1200^{\circ} С)\) [1, 2] было получено основное эмпирическое уравнение (формула) кинетической концепции прочности С.Н. Журкова, для определения долговечности или времени до механического разрушения образца \((1\cdot 10^{-5} \div 8\cdot 10^7 с)\) [1,2,9]:
\(\begin{equation} \tau_{*}=\tau_{o} \exp \frac{{U_{o}-\gamma_{o}\sigma}}{RT} \tag{1} \end{equation}\)
\(\tau_{*}\) - долговечность, время до разрушения образца,
\(\tau_{o}, \: U_{o}\) - параметры атомарного уровня,
\(\gamma_{o}\) - структурный коэффициент (параметр),
\(T\) - температура, \(R\) - газовая постоянная,
\(\sigma\) - постоянные истинные напряжения растяжения.
Зависимость связывает время до разрушения образца материала, макроскопические истинные растягивющие напряжения, атомарные физические параметры твердого тела \(\tau_{o},\: U_{o}\), микроструктурный коэффициент \(\gamma_o\) и температуру \(T\) тела. Испытаниям подвергались металлы высокой степени очистки, сплавы, полимеры и др. твердые материалы. Термообработкой достигались условия, при которых структурные несовершенства металлических образцов для испытаний были минимальны, свойства однородны.
При этом основные физические микроструктурные особенности материалов нашли свое отражение в структурном коэффициенте \(\gamma_o\). На рис.1, 2 характерные зависимости долговечности различных по своей природе материалов, которые наглядно показывают влияние основных факторов на время до разрушения.
В уравнении (1) присутствуют две принципиально различные физические характеристики макроскопического и микроскопического состояний твердого тела. Макроскопическая величина - механические напряжения \(\sigma,\: Н/м^2\), это удельное значение сила (в термодинамике поток работы) и одновременно связь с объемом, геометрическими параметрами тела. Энергия активации разрушения (близка величине энергии сублимации) атомных связей \(U_o,\: Дж/моль\), это понятие статистической физики и термодинамики, связанное с макроскопическим количеством физических частиц, микросостояний.
В малоизвестной экспериментальной работе кинетической концепции [3], ключевой для новой теории, было выявлено свойство суммирования поврежденности или времени нахождения тела под нагрузкой, при постоянном уровне напряжения растяжения:
\(\begin{equation} \tau_{*}=\tau_1 + \tau_2, \: сек \tag{2} \end{equation}\)
Где:
\(\tau_*\) - определяемая основным уравнением долговечность, нагрузка \(\sigma\);
\(\tau_1\) - некоторое время под той же нагрузкой \(\sigma\), \(\tau_1<\tau_*\);
\(\tau_2\) - время до разрушения той же нагрузкой, после «отдыха» разгрузки.
Рис.1
Температурно-временная зависимость прочности различных твердых тел [2, c. 80]:
1 – для алюминия при температуре 18 C (1), 100 C (2), 200 C (3) и 300 C (4);
2 – для капрона при температуре -110 C (1), -60 C (2), 18 C (3), 80 C (4) и 130 C (5);
3 – для каменной соли при температуре 400 C (1), 500 C (2) и 600 C(3).
Рис.2
Зависимость долговечности алюминия от напряжений, структурных свойств и температуры [2, c. 70]: 1- отжиг 550 С; 2 - отжиг 420 С; 3 – отжиг 290 С; 4 – прокатка; 5 – легирование. Стрелками показано характерное направление смещений полюса каждого веера линий вдоль оси переменной величины \(ln \tau_*\) и \(\sigma\) от роста температуры \(T\) и структурного параметра \(\gamma\) соответственно.
В зависимости (2), по моему убеждению, на основании прямого эксперимента установлена фундаментальная аналитическая связь между величинами времени воздействия макроскопических напряжений (тепломеханического кинетического потока работы) и необратимыми структурными изменениями атомарного уровня, отраженными в структурном параметре \(\gamma\).
Объединив результаты экспериментальных исследований отраженные в уравнении (1) и зависимости (2) этот механизм был отображен аналитически. Предполагая, что испытуемый образец имеет в остаточной долговечности \(\tau_2\), выражения (2), новый, неизвестный структурный коэффициент \(\gamma(\tau_2)\), был получена функция:
\(\gamma(\tau_2)=\gamma(t)=\gamma(t,\sigma,\gamma_o,U_o)\cdot \tau_2=\tau_*-t\)
Функция получается из простых преобразований, зависит от начальных параметров структурно-физического состояния материала и времени первого этапа испытаний \(\tau_1=t\). В результате была найдена аналитическая связь изменений структурно чувствительного параметра от времени и условий деформирования, количественно характеризующая необратимые структурные изменения в твердом теле [4]. Указанный подход и предложенная первоначальная тривиальная структурная модель деформированной среды, позволили сформулировать дифференциальное уравнение, для определения структурно-чувствительной функции \(\gamma(t,\sigma,\gamma_o,U_o)\), характеризующей необратимые изменения в деформируемом твердом теле при переменной нагрузке. Но в первых работах не была раскрыта физическая суть функции структурного коэффициента \(\gamma\). Затем была разработана структурно-энергетическая кинетическая модель и теория реального деформированного твердого тела, которая полнее раскрывает физическую суть структурного коэффициента \(\gamma\), предложенного в концепции С.Н. Журкова.
- Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. Вестник АН СССР №3 1968г.с.46-52..
- Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Г. Кинетическая природа прочности твердых тел. Наука. Москва , 1974г. 560с.
- Журков С.Н., Санфирова Т.П. Температурно-временная зависимость прочности чистых металлов. Доклады АН СССР. 1955г. 2. 101. с.237-240.
- Штырёв Н.А. Определение физических условий разрушения поликристаллических тел при нестационарном циклическом растяжении. Сборник научных трудов. Строительная механика корабля. Николаев, НКИ. 1987г., с. 74-8
- Подробности
- Автор: Штырев Н.А.
- Родительская категория: Categories RU
- Категория: Предисловие
- Опубликовано: 12 Февраль 2014
- Просмотров: 2385
Перечень работ.
- Перечень работ автора не опубликованных на сайте ED
- Перечень работ автора опубликованных на сайте ED
Перечень работ автора не опубликованных на сайте ED.
Текст статьи можно заказать письмом через почту сайта. Укажите название. Свой электронный адрес, имя получателя.