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.

1. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. Вестник АН СССР №3 1968г.с.46-52..
2. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Г. Кинетическая природа прочности твердых тел. Наука. Москва , 1974г. 560с.
3. Журков С.Н., Санфирова Т.П. Температурно-временная зависимость прочности чистых металлов. Доклады АН СССР. 1955г. 2. 101. с.237-240.
4. 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

• < Назад
• Вперёд >