книги из ГПНТБ / Пух В.П. Прочность и разрушение стекла

П р о ч н о с т ь i l р а з р у ш е н и е с т е к л а . П у х В . П . Н з д . « П а у к а » . . Л е ш ш г р . о т д . , Л . , 1973, 1—156.

В к н и г е р а с с м о т р е н ы с о в р е м е н н ы е п р е д с т а в л е н и я о п р о ч н о с т и

с к и х и ф и з и к о - х и м и ч е с к и х в з а и м о д е й с т в и й с о к р у ж а ю щ е й с р е д о й .

П р и в о д я т с я м н о г о ч и с л е н н ы е д а н н ы е , с в и д е т е л ь с т в у ю щ и е о т е р м о і

П31411-1159

042 (02)—73 488—73 © Издательство «Наука» 1973

циониых сталей, присуща не только стеклянным волок­ нам, но и массивному листовому стеклу промышленного производства.

Если раньше считали, что рекордные значения проч­ ности стеклянных волокон обусловлены малостью их раз­ меров, то работами Ф. Ф. Витмана и его сотрудников доказано, что высокая прочность вообще присуща стекло­ образному состоянию вещества, а практически наблюда­ емая низкая прочность стекла обусловлена его легкой повреждаемостью. Это обстоятельство выдвинуло на пер-у вый план поиски путей сохранения природной высокой" прочности стекла, и в,частности, изучение механизма его разупрочнения под действием различных физико-хими­ ческих и механических факторов.

Собственно говоря, благодаря изучению механизма разупрочнения листового стекла и удалось выявить его высокую природную прочность. Например, образцы листо­ вого стекла после их химической полировки и при защите от механической повреждаемости можно довести до проч­ ности в 200—300 кГ/мм2 в обычных условиях и 500 кГ/мм2 в вакууме, где резко снижается разупрочняющее действие окружающей среды.

Однако поскольку высокая прочность была установлена сначала для стеклянных волокон и лишь 30 лет спустя для листового стекла, в настоящей монографии рассмот­ рено развитие представлений о прочности стеклообраз­ ных тел в хронологическом порядке. Особую и решающую роль в выяснении высокой прочности массивного стекла сыграл тщательный анализ методики измерения прочно­ сти, чему посвящается отдельная глава.

Высокая прочность стеклообразного состояния веще­ ства вызывает особый интерес и к механизму его разруше­ ния. Этот интерес объясняется еще и тем, что к аморф­ ным веществам не применимы представления современной дислокационной теории прочности, которая многое позво­ ляет понять в поведении кристаллических тел. Более того, в связи с успешным развитием С. Н. Журковым, В. Р. Регелем и их сотрудниками [15—19] кинетической концеп­ ции разрушения поставлен под сомнение предлагаемый Гриффитсом критический механизм разрыва твердых тел.

Все эти проблемы требуют освещения в связи с возрос^ шим интересом к стеклу как к новому конструкционному материалу.

4

В настоящей работе получили освещение вопросы ме­ ханизма упрочнения листового стекла при химической полировке и разупрочнения его при механическом и фи­ зико-химическом воздействии окружающей среды. Приво­ дятся данные, свидетельствующие о применимости термофлуктуационной концепции разрушения твердых тел и к такому идеально хрупкому материалу, как стекло.

В книге представлены результаты большого числа ра­ бот в области прочности стекла, выполненных в Физикотехническом институте в • лаборатории, руководимой Ф. Ф. Витманом.* При анализе и обобщении данных ис­ пользован огромный опыт, накопленный советской шко­ лой исследователей прочности твердых тел и зарубежными учеными, и прежде всего материалы основополагающих

работ в этой области [15—88].

Можно выразить уверенность, что так же как плодо­ творным оказалось внимание металловедов к вопросам проч­ ности стеклообразных веществ, так же окажется полезным для металлургов, особенно работающих в области созда­ ния высокопрочных сплавов, знакомство с особенностями поведения высокопрочных стекол.

* Б о л ь ш у ю п о м о щ ь в п о д г о т о в к е и о б с у ж д е н и и м а т е р и а л о в д л я ^ л н п г и о к а з а л и В . А . Б е р ш т е й н , Г . С . П у г а ч е в , Л . Г . Б а й к о в а , •сіэ . С. И о ф ф е , Л . Д . В о л о в е ц , М . В . М а с т е р о в а , М . И . И в а н о в , М . Ф . К и р е е н к о , К . И . А п д р и а н о в а и Л . К . Е ф и м о в а , к о т о р ы м а в т о р

п р и н о с и т с в о ю г л у б о к у ю б л а г о д а р н о с т ь .

Г л а в а 1.

П Р О Ч Н О С Т Ь Т В Е Р Д Ы Х Т Е Л

М е х а н и ч е с к ая н кнпетнческая копцепцнн р а з р у ш е н и я

Под прочностью твердых тел понимается сопротивле­ ние разрыву тела.

Разрушение тела является сложным процессом, разви­ тие которого зависит от многих обстоятельств. Главным» параметрами, определяющими этот процесс, являются, температура, скорость нагружения, характер напряжен­ ного состояния, структура тела и среда.

К решению проблемы прочности в настоящее время наметились два похода, которые условно пазывают «ме­ ханическим» и «кинетическим» [89, 90].

Механическая концепция. Согласно механической кон­ цепции [4, 5, 25], основоположником которой является Гриффите, разрыв тела является результатом потери устой­ чивости твердым телом, находящимся в поле внешних и внутренних напряжений.

Гриффите рассматривал твердое тело как сплошную среду, содержащую дефекты типа микротрещин. Он счи­ тал, что под действием приложенного напряжения на краях микротрещин возникают перенапряжения, кото­ рые могут во много раз превосходить среднее напряжение. Когда величина перенапряжений у вершины наиболее опасной микротрещины достигает уровня теоретической прочности, то происходит катастрофическое (со скоростью,-- близкой к скорости звука) разрастание трещины и обра-

6

зец разрушается на части. Приложенное среднее напряже­ ние при этом соответствует критическому напряжению, или так называемой «технической прочности» образца.

Величину критического напряжения определяют ис­ ходя из следующих соображений: трещина растет тогда, когда изменение упругой энергии в образце (за счет раз­ грузки материала вокруг растущей трещины) равно или больше изменения свободной поверхностной энергии, возникающей при образовании новых поверхностей.

Условие распространения трещины записывается в сле- -дующем виде:

мой из формулы. (1), в однородной упругой среде неустой­ чивы и должны самопроизвольно «захлопываться». Воз­ никновение и рост трещины при условии, когда внешнее /напряжение а <[ ав , возможны лишь за счет работы внут­ ренних напряжений. Если распространение трещины сопровождается пластической деформацией материала перед ее вершиной, условие хрупкого разрушения (1) должно быть изменено: величина а дополняется значе­ нием работы пластической деформации «

Тепловое движение может быть формально учтено тем­ пературной зависимостью эффективной поверхностной энергии (а + а ). Той же зависимостью учитывается дей­ ствие поверхностно-активной среды.

Кинетическая концепция. В кинетической концепции [15—19], основоположником которой является С. Ы. Журков, разрушение рассматривается не как критическое событие, а как результат процесса, развивающегося в ма­ териале во времени.

Разрыв тела рассматривается как конечный этап посте­ пенного развития и накопления субмикроскопических

.разрушений. Этот процесс развивается в напряженном •^•іле под действием тепловых флуктуации. Вводится поня­ тие о долговечности под нагрузкой, т. е. о времени* т,

7

необходимом для развития процесса разрушения от момента нагружения тела до его разрыва.

Экспериментально установлено, что долговечность тела, находящегося под растягивающей нагрузкой, ве­ личина разрывного напряжения о и температура Т свя­ заны соотношением

коэффициент, определяющий степень снижения исходного барьера Un под действием разрывающего напряжения о; является структурно-чувствительной величиной; к — постоянная Больцмана.

Аналогичное выражение для долговечности получено теоретически Г. М. Бартеневым и И. В. Разумовской [25, 91], А. И. Губановым и А. Д. Чевычеловым [921,

туаций и механических напряжений. Длительность этого процесса от момента нагружения до разрыва тела на части определяется, согласно (2), величиной активационного барьера U=U0 — у о и температурой. Чем сильнее растя­ нуто тело, тем больше снижается барьер и меньшее время требуется для разрыва. Закономерность (2) отрицает поня­ тие предела прочности. Такие характеристики, как «предел прочности», «предельное разрывное напряжение», могут быть оправданы лишь как практически удобные, но они теряют смысл при суждении о физической природе прочности твердых тел [15, 89].

Если применительно к кристаллическим телам меха­ нический подход Гриффитса в настоящее время дополня­ ется физическими представлениями, развитыми в дислока­ ционной теории [95—102], учитывающей изменения, про­ исходящие в структуре под нагрузкой, то для аморфных тел, каковым является силикатное стекло, до сих не создано общей молекулярной теории разрыва.

8

Если будет доказана применимость представлений кине­ тической концепции к процессу разрыва силикатного стекла, то она окажется первой молекулярной теорией разрушения аморфных тел.

Теоретическая и практическая прочность твердых тел

Существует много оценок теоретической прочности Твердых тел. Мы остановимся только на некоторых из них, ''касающихся именно хрупкого разрыва.

В 1921 г. Поляни [103] рассчитал теоретическую проч­ ность исходя из предположения, что для разрыва твер­ дого тела необходимо, чтобы в слое толщиною в межмоле­ кулярное расстояние была накоплена упругая энергия, равная образующейся при разрыве поверхностной энер­ гии. В соответствии с его расчетом

мых поверхностей. Он нашел эту работу, принимая, что сила взаимодействия между молекулами соседних слоев уменьшается от о т о о р до нуля при увеличении расстояния между ними на величину а. Согласно его оценке, ат е о р œ Ä*3-103 кГ/мм2 или меньше этой величины.

Hapaii-Сабо, Ладик [105] рассчитали теоретическую прочность кварцевого стекла, используя потенциал Морзе для опрісания разрыва связи Si—О. Число связей в единице

По расчетам Г. К. Демишева [106, 107], для силикат­ ных стекол а Т Е О Р 0.1І? А * 700 кГ/мм2 . Я. И. Френкель ^[108] оценивает предельную прочность металлов вели­

чиной 103 кГ/мм2 .

9