1. Историческая справка

Понятие прочности далеко неоднозначно, а поэтому не может иметь четкого определения.

Наиболее простое определение прочности, заключается в понятии сопротивления деформации, в то время как сопротивление разрушению, следует рассматривать как характеристику надежности материала.

Однако, если учесть фактор времени, то прочность материала есть характеристика, называемая длительной прочностью (напряжение, вызывающее разрушение, при определенной температуре, за данный отрезок времени, при действии статических однонаправленных нагрузок).

Имеется понятие: циклической прочности, как наибольшего напряжения, которое может выдержать материал за определенное число циклов, при действии знакопеременных или знакопостоянных нагрузок, в установленном режиме. Контактная прочность характеризует устойчивость металлов, сплавов, композитов к сохранению износостойкости в условиях трения. Как особый вид контактной прочности, рассматривают контактную выносливость.

Электрическая и диэлектрическая прочность, тепловая и температурная усталость, и коррозионная стойкость – вот далеко не полный перечень тех определений, которые характеризуют понятие прочности.

Неоднозначность понятия прочности может подтвердить и такой параметр, как удельная прочность материалов, определяемая, как отношения предела прочности к плотности материала. Так высокопрочная мартенситостареющая деформационнотвердеющая сталь, имеет этот параметр на уровне 23, в то время, как некоторые алюминиевые сплавы, имеют значение удельной прочности на уровне 21, титановые – 24 и даже магниевые близки к максимуму – 22.

Однако, независимо от тех определений, которые заложены в вышеизложенные понятия прочности, поведение материала в конкретных условиях может быть объяснено совершенно однозначно, если оперировать знаниями его строения и возможными структурными изменениями, в зависимости от внутренних и внешних факторов, что и является главной задачей научного направления: «Физика прочности».

Принципиально, понятие прочности, можно разделить на три вида: теоретическую (расчетную), реальную (экспериментальную или лабораторную) и конструктивную (прочность материала в изделии, работающем в реальных условиях эксплуатации).

Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи, на число атомов в сечении кристалла и, как правило на 2-4 порядка выше реальной. Так теоретическая прочность железа составляет 13 000 МПа, реальная – всего 150 МПа.

В тоже время, конструктивная прочность (как показывает практика) еще примерно в 10 раз ниже реальной. Пониженное значение лабораторной прочности по отношению к теоретической обусловлено дефектностью строения реального кристалла (наличие точечных, линейных, поверхностных и объемных дефектов), другими словами, связано с внутренними факторами.

Падение конструктивной прочности по отношению к экспериментальной связано с внешними условиями: формой образца (изделия), температурой, давлением, степенью агрессивности среды, схемой, скоростью и длительностью нагружения, количеством, остротой и глубиной конструктивных надрезов, способами получения и обработки деталей.

Требования, предъявляемые к материалам, используемых для изготовления различных деталей, конструкций, сооружений, характеризуются особым набором свойств, объединенных понятием – конструктивная прочность.

Конструктивная прочность – комплексная характеристика, учитывающая эксплуатационные требования, предъявляемые к живучести, надежности, долговечности материала в готовом изделии, эксплуатируемом в реальных рабочих условиях.

Живучесть – долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической (активной) трещины, до момента разрушения, является важнейшей характеристикой конструктивной прочности, характеризующей надежность материала.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния.

Понятие надежность и долговечность металлических материалов, вводится с учетом вида эксплуатационного отказа изделий, изготавливаемых из этих материалов.

Конструктивную прочность сплавов нередко оценивают с помощью диаграмм конструктивной прочности, в координатах K_1С – σ_0,2, с целью решения основной задачи: повысить сопротивление хрупкому разрушению, при сохранении высокой статической прочности.

Решение этой задачи, возможно путем:

- варьирования химического состава и совершенствования степени чистоты материала;

- совершенствования методов технологической обработки материалов;

- совершенствования технологий получения материалов (изделий);

- создания принципиально новых материалов, обладающих экстремально высокими или нетрадиционными свойствами;

- разработки методик поверхностного упрочнения материалов;

- конструктивных методов определения оптимальных размеров и форм деталей с учетом схем нагружения изделия;

- учета степени агрессивности среды эксплуатации, ее температуры, колебаний температуры, напряжений, давлений;

- учета гарантированного срока эксплуатации, как физического, так и морального.

Над решением этих задач работают многие поколения.

Еще задолго до появления человека, обезьяна искала предмет тверже, чем кокос, чтобы разбить последний. Сколько существует человечество, столько оно работает с материалом, применяя его в своей жизни, выбирая наиболее подходящий для каждого конкретного случая.

Камень – для каменного топора, сухожилия животного для тетивы лука, кожу для барабана, дерево для получения огня, шкуры для защиты от холода, объекты для жертвоприношения богам или приглянувшейся красавицы из соседнего племени. Но заслужить покровительство богов, покорить сердце избранницы, сохранить свой род, можно было лишь в том случае, если у тебя стрела острее, барабан звучит громче, в пещере всегда огонь, а подносимые бусы красивее, чем у других претендентов на руку и сердце. Это заставляло человека нс просто заниматься поиском необходимого материала, но и сравнивать его с другими по цвету, вкусу, твердости, надежности, долговечности, то сеть осуществлять анализ его свойств по внешним признакам, что является прообразом современною макроанализа.

Неудачи в попытках просто найти подходящий материал и случайные открытия вынудили человека заняться вопросами изменения свойств материала путем его обработки. Так барабан звучал громче, если кожу хорошо очистить и просушить, глиняный горшок нечаянно упавший в костер и побывавший в огне, был много прочнее, чем изготовленный из сырой глины, подношение из самородного золота не теряло своей привлекательности с годами и легко меняло свою форму, при его обработке давлением. Так зарождалась технология обработки материалов.

Основными направлениями применения материалов в те, доисторические времена, были бытовые, военные и ритуальные нужды, которые и в настоящее время остаются актуальными.

Развитие гончарного производства заложило основу термической обработки материалов и подсказало важность роли покрытий на изделии. Копье, изготовленное из шеста, долгое время пролежавшего на солнце и под дождем, не искривлялось со временем, стул из дубового пня, выловленного со дна реки, был крепок как железо, не гнил и не растрескивался. Эту обработку на современном языке материаловедения называют старением.

В рукопашном бою часто побеждал тот, у кого прочнее и надежнее было оружие. Этому моменту человечество на протяжении всей своей истории уделяло всегда особое внимание.

Величайшим достижением человечества следует считать освоение азов металлургии, позволившее совершить качественный скачок в своей истории – не просто проводить поиск материала, а заняться его изготовлением, и этот процесс не только незавершен, но и постоянно развивается в настоящее время.

Наряду с производством металлов и сплавов путем плавления, человек научился их получать, выращивая из газовой фазы, электролитическим осаждением и осаждением на подложку в вакууме, спеканием порошков и гранул.

Однако простым производством нового материала далеко не всегда удавалось обеспечить весь требуемый комплекс свойств. Поэтому параллельно с совершенствованием техники получения, все более активно развивается технология обработки материалов.

Ярчайшем примером возможностей технологии обработки явилось производство булатной стали, достоинства которой: высочайшая твердость и износостойкость, исключительная упругость в сочетании с вязкостью. Красота узора на необыкновенной голубоватой полированной поверхности холодного оружия из этой стали, описывается еще в произведениях древнегреческого философа Аристотеля в трехсотых годах до новой эры.

Достаточно сказать, что клинком из этой стали можно было рубить камни, а потом, не затачивая бриться. Для металловедения данный пример тем более примечателен, что наши предки путем обычного длительного поиска не просто получили уникальный материал, но и открыли богатейшие возможности управления свойствами материалов. В своих изысканиях они, видимо впервые, целенаправленно применили такие приемы, которые в настоящее время получили названия: прецизионная металлургия, ступенчатая термообработка, текстурообразование.

Древние строители научились повышать прочность, надежность и долговечность глиняных кирпичей за счет добавления в глину травы и веток.

Исследователями египетских пирамид достаточно обоснованно высказывается предположение о том, что блоки, из которых созданы пирамиды, не вырезаны из скал, а изготовлены искусственно путем соединения строительных фракций с различными свойствами.

Эти примеры, так же как и попытки в начале 18 века восстановить утерянные к концу 17 века секреты производства булатной стали, в частности путем сварки давлением полос из низкоуглеродистой и высокоуглеродистой стали, привели к созданию материалов, которые в настоящее время носят названия композиционных.

В этот же исторический период изыскания великих итальянских мастеров смычковых инструментов А. Амати (1520 - 1580), А. Гварнери (1622 - 1698), А. Страдивари (1643 - 1737) могут служить примером использования композиционных неметаллических материалов, когда при создании своих инструментов они использовали сочетания древесины разных пород. Добиваясь чистоты, силы, высоты звука своих скрипок и виолончелей древние умельцы осуществляли пропитку древесины различными смолами, эфирами, маслами, покрывали ее различными лаками при разных температурах, используя так называемые комбинированные методы обработки материалов. А поиски совершенных форм тела инструмента, конфигурации эф и сводов дек, позволявших достичь неподражаемых звуков, служат прообразом одного из нынешних направлений материаловедения – влияние формы детали на ее свойства.

Аналогичных примеров можно приводить много, но все эксперименты в области материаловедения до первой половины XIX века носили имперический, поисковый характер, другими словами, здесь можно говорить о так называемом примитивном материаловедении.

Первую серьезную заявку на материаловедение, как науку сделал знаменитый русский металлург П.П.Амосов, который применив микроскоп для исследования структуры стали (1831 г.), смог разгадать секреты булатной стали и получить ее по своей технологии (1841 г.). Он не только положил основу микроанализу, но и дал научное обоснование положению, что свойства материала определяются его химическим составом и обработкой формирующей структуру. С этого периода материаловедение бурно развивается.

Всемирно признанным основателем научного материаловедения считается русский ученый Д.К.Чернов (1839 – 1921 г.г.). Трудно назвать область материаловедения, где бы Д.К.Чернов не оставил своего заметного следа. Многие его открытия носят его имя: кристаллизация металлов путем зарождения и роста зерен, строение слитка по Чернову, полиморфизм железа и фазовые превращения в стали, критические точки в стали (точки Д.К.Чернова), послужившие основой для построения диаграммы состояния железо-углерод, а в дальнейшем и для развития новой науки – металлографии. Основные идеи легирования сформулированы Д.К. Черновым, пластическая деформация и деформационные эффекты в кристаллах (полосы Чернова-Людерса), вопросы термической обработки. Вот неполный перечень направлений разработанных Черновым.

Желание понять природу поведения материалов послужило основой для развития экспериментальных технологий и техники исследований, что открывало новые возможности по управлению свойствами материалов.

Классическое материаловедение преобразовывалось в физическое материаловедение, в число основателей которого входят Н.С. Курнаков, который занимается разработкой методов физико-химических исследований сплавов, классификацией сложных фаз в сплавах, диаграммами состояния двойных и тройных систем. Диаграммы свойств носят имя Курнакова, так же как и температура перехода сплава в упорядоченное состояние (точка Курнакова). Академик Г.К. Курдюмов является автором одной из теорий мартенситного превращения, исследователем вопросов пластической деформации, механизмов и кинетики фазовых превращений. А.А. Бочвар описал процесс кристаллизации эвтектики, разработал теорию кристаллизации. Механизмам и кинетике фазовых превращений в сплавах, теории и технологии термической обработки сталей посвящали свои работы А.А. Байков (1870 – 1946), Н.А. Минкевич (1885 – 1942), С.С. Штейнберг (1872 – 1940), В.Д. Садовский, С.Т.Кишкин, В.И. Данилов, А.П. Гуляев, фазовым превращениям в цветных сплавах – Д. А.Петров, И. И. Сидорин, С.М. Воронов. А.М. Бутлеров (1828 – 1886) поистине считается отцом теории химического строения органических соединений и основателем разработки синтетических полимерных материалов. С.В. Лебедев – автор и создатель синтетических каучуков. Большой вклад в создание органических материалов внес академик АН СССР А.А. Баландин (1898 – 1967), автор 900 научных статей и монографий в данной области. Значительный вклад в развитие физического материаловедения внесли зарубежные ученые Ф. Осмонд, А. Л е-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), изучавшие сплавы железа с углеродом: Э. Бейм, Р. Мейли (США), Велер (Германия), А. Гинье, Ж. Перстон, работавшие в области теории фазовых превращений. К. Циглер (Германия), Д. Натт (Италия), занимавшиеся полимерными материалами Методами рентгеноструктурного анализа, разработанными М.Лауэ, П. Дебайем (Германия), У.Г. Бреггом (Англия) пользуются металлофизики во всем мире.

Бурный технический прогресс прошедшего XX века потребовал от материаловедов и металловедов материалов с аномально высокими и нетрадиционными свойствами: надежных и долговечных, гарантирующих высокую работоспособность в экстремальных условиях.

Весьма низкая реальная прочность материалов, отличающаяся от теоретической прочности на 3-5 порядков, заставила искать причины такого различия. Так в 1920 году Гриффитс, разрабатывая теорию хрупкого разрушения, всю ответственность за уровень сопротивления разрушению возложил на трещину определенных размеров и формы. Его теория и эксперименты достаточно надежно характеризовали трещиностойкость хрупких материалов, таких как стекло, но не объясняли (в том варианте) поведение металлов и сплавов на их основе. Однако идеи Гриффитса позволили в дальнейшем Ирвину разработать критерии вязкости разрушения пластичных материалов, к которым относятся металлы и сплавы.

1926 год – чл. кор. АН СССР Я.Френкель предлагает наличие точечных дефектов в кристаллах, снижающих прочность реального материала,по сравнению с теоретической, но это снижение не превышало одного порядка.

1934 год Тейлор, Орован, Поляни – предлагают наличие в кристаллах линейных дефектов – дислокаций и начинают описание их свойств, а Вилсон в 1942 году вводит понятие дефекта упаковки. Наличие предложенных несовершенств кристаллического строения (которые нашли свое косвенное и прямое подтверждение с развитием экспериментальной техники в области рентгеноструктурного электронномикроскопи-ческого анализа, измерений внутреннего трения и электро-сопротивления) привели в соответствие различие в теорети-ческой и реальной прочности.

С этого момента зарождается новое направление физическом материаловедении – изучение тонкого строения кристаллов и некристаллических тел, в разработке которой участвуют ученые США, Англии, Франции, России, Японии, Норвегии, Польши, Германии, Австралии.

Теориям дислокаций и механизмов пластической деформации посвящают свои работы Дж. Гилман, А. Зегер, Кульман-Вильсдорф, Дж. Хирт, Дж. Лоте, Я. Френкель, Н.Ф. Мотт.

Механизмы упрочнения и динамику дислокаций исследуют Н.Ф.Эшби, Т. Сузуки, Дж. Фридель, П.Б. Хирш, Дж. С. М. Ли , Н. Тяпунина, В. Трефилов, В. Альшиц, В. Иденбом, А.С. Аргон.

В то же время трещиностойкостью и разрушением материалов занимаются А.Х. Коттрелл, Дж. Эшелби, А. Келли, Ирвин, Ф.А. Мак Клинток.

Результаты полученные этими учеными и целой плеядой других теоретиков и экспериментаторов позволили не только понять природу материалов и их поведение, но и дать толчок к разработке совершенно новых материалов и технологий.

С 1962 года в этот процесс включился Воронежский политехнический институт, ныне Воронежский государственный технический университет, который начал подготовку специалистов в области физики металлов. С ноября 1963 года организована кафедра Физики металлов с заведующим кафедрой доктором физико-математических наук, профессором В.С. Постниковым. Молодые, в то время, преподаватели кафедры, студенты и аспиранты сразу взялись за разработку наиболее актуальных и интересных проблем металловедения.

Активно продолжается работа по исследованию релаксационных явлений в твердых телах и совершенствованию методики анализа внутреннего трения в металлах и сплавах, одним из автором которой является В.С. Постников. Работами И.М. Шаршакова, Усанова, Бурмистрова, А.Т. Косилова, В.А. Юрьева, В.Г. Комарова данное направление было доведено до уровня одного из основных методик физических исследований.

Одними из первых, ученые кафедры С.А. Аммер, А. А. Щетинин, А.Г. Москаленко стали осваивать методику выращивания нитевидных кристаллов металлических и неметаллических материалов, исследовать их свойства и внедрять в производство.

Заметный вклад в кинетику, морфологию, технологию получения и практическое применение таких пленок внесли И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин и их ученики. Строение и свойства тонких пленок исследовали и получили важные научные и прикладные результаты академик РАН В.М. Иевлев, С.И. Рембеза.

Влияние ультразвука на структуру и свойства материалов и ультразвук как метод исследования еще одно направление кафедры, которое разрабатывалось Ю.Ф.Балалаевым, А.Н.Семичевым. Созданная методика определения механических свойств металлов и сплавов с помощью мощного ультразвука уже на первом этапе дала возможность разрешить ряд серьезных проблем, таких как определения предела прочности материалов в высокопрочном и хрупком состоянии, экспрессное, в течение десятков минут получение усталостных характеристик металлов и сплавов, поверхностное упрочнение сталей ультразвуковой обработкой шариками. В дальнейшем, в области физического материаловедения данная методика позволила решить задачи по распределению тепла в стержнях конечной длины при ультразвуковом нагреве, рассмотреть вопросы динамики дислокаций при воздействии колебаний ультразвуковой частоты, диффузию точечных дефектов и формирование полигональной структуры в ультразвуковом поле, явления наклепа и возврата в результате динамической рекристаллизации вызванной прохождением ультразвуковой волны, что в итоге обеспечило условие успешного формирования заданной структуры у моно- и поликристаллов металлов и сплавов: цветных и черных, литых и деформированных, термообработанных, подвергнутых лазерному облучению и имеющих активные покрытия.

Решение проблемы получения кристаллов, с уникальными нетрадиционными свойствами возглавил А.Т. Косилов, под руководством которого успешно реализована задача выращивания кристаллов с псевдоупругостью и эффектом памяти формы.

Впервые в мировой практике созданы экспериментальные установки и разработана технология роста профилированных монокристаллов системы Cu-Al-Ni способом Степанова. На базе разработанных монокристаллов по заказам предприятий были произведены и прошли испытания изделия и устройства, создание которых на основе традиционных материалов, либо вовсе исключено, либо возможно при существенном ухудшении технико-экономических показателей (увеличении себестоимости, габарита, веса и т.д.). Полученный научный задел в области технологических приемов роста монокристаллов и разработка оригинальных устройств новой техники послужили основой дальнейшего совершенствования метода выращивания профилей, расширении номенклатуры сплавов по их количественному и качественному составу.

Рентгеноструктурный фазовый анализ и свойства конструкционных сплавов – предмет научных интересов А.М.Беликова, В.Б. Шепилова, А.А. Лукина.

Физические явления в металлах и сплавах при сверхвысоком вакууме и криогенных температурах нашли свое отражение в работах В.В. Постникова, В.В. Проскурина.

Строением и свойствами металлических фаз РМЗ и цветных металлов занимались ученые кафедры Г.Л. Полнер, Н.Н. Березина.

В настоящее время молодые ученые кафедры А.В. Евтеев, А.В. Миленин, Д.Г. Жиляков активно развивают новое направление – «Компьютерное моделирование физических процессов в металлах и сплавах», позволяющее решать как задачи прикладного характера, так и фундаментальные проблемы нанотехнологии.

Большинство результатов исследований, проведенных учеными кафедры материалловедения и физики металлов внедрены в производство радиоэлектронной, авиационной, ракетно-космической и машиностроительной промышлен-ности.

Задачей научного направления «Физика прочности» является использование всего накопленного человечеством опыта для повышения надежности, долговечности и живучести, как отдельных деталей, так и целых конструкций в условиях их реальной эксплуатации, базируясь на фундаментальных основах знаний о строении материала и влиянии внутренних и внешних факторов на его свойства.