Энергия, или работа, разрушения
Когда твердое тело разрушается при растяжении, должна возникнуть хотябы одна трещина, распространение которой разделяет кусок материала на части.Это означает, что должны образоваться по крайней мере две новые поверхности,не существовавшие ранее, до разрушения тела. Чтобы таким путем произвестив материале разрыв и образовать эти новые поверхности, необходимо разорватьвсе химические связи, до того сцеплявшие между собой поверхности.
Количество энергии, требуемое для разрыва почти всех типов химических связей,хорошо известно (по крайней мере химикам), и оказывается, что для большинстватвердых тел, с которыми мы имеем дело в технике, общие количества энергии,требуемые для разрыва всех связей по любой единичной плоскости в любомпоперечном сечении, весьма близки между собой и не сильно отличаются отвеличины 1 Дж/м.
Если мы имеем дело с материалами, которые носят название хрупких - кним относятся камень, кирпич, стекло и фаянс, - упомянутое количество энергиии есть почти вся та энергия, которую мы должны сообщить телу, чтобы произвестиразрушения. В действительности 1 Дж/м - это совсем малое количествоэнергии. Так, согласно самой простой оценке упругая энергия, которую можнозапасти в 1 кг сухожилий, достаточна для того, чтобы "заплатить" за 2500м свежей поверхности битого стекла. (Такое действие эквивалентновизиту слона в посудную лавку.) Вот почему каменщик раскалывает кирпичточно пополам всего лишь легким ударом мастерка, а чтобы разбить тарелкуили бокал, достаточно малейшей неловкости.
Хрупкие материалы по возможности не используются там, где они могутподвергнуться действию растяжений. Эти материалы являются хрупкими в первуюочередь не потому, что имеют низкую прочность на разрыв,- это означалобы, что для их разрушения требуется небольшая сила, - а потому, что дляих разрушения требуется только небольшая энергия.
Технические и биологические материалы, которые используются в условияхрастяжения и в этом смысле являются относительно безопасными, для образованияновой поверхности при разрушении требуют значительно большей энергии. Другимисловами, работа разрушения для них значительно (несравненно!) больше, чемв случае хрупких твердых тел. Для практически вязкого трещиностойкого материалавеличина работы разрушения обычно лежит в пределах 10-10Дж/м. Поэтому энергия, требуемая для разрушения сварочногожелеза или мягкой стали, может быть в миллион раз больше энергии, требуемойдля разрушения в таком же поперечном сечении стекла или керамики, хотявеличины статической прочности на разрыв этих материалов не сильно различаются.Поэтому таблица значений прочности на разрыв, подобная табл. 2, в случаеесли ее используют для выбора какого-то конкретного материала, может дезинформироватьконструктора. По этой же причине классическая теория упругости, основаннаяглавным образом на силах и напряжениях, которая старательно разрабатываласьв течение столетий - и еще более старательно преподавалась студентам, -сама по себе не может правильно предсказывать разрушение реальных материалови конструкций.
Таблица 4. Приближенные величины работы разрушения и прочности при растяжениинекоторых распространенных материалов
Вещество / Приближенное значение работы разрушения Дж/м /Приближенное (номинальное) значение прочности на разрыв МН/м
Стекло, керамика / 1-10 / 170
Цемент, кирпич, камень / 3-40 / 4
Полиэфирные и эпоксидные смолы / 100 / 50
Нейлон, полиэтилен / 10 / 150-160
Кость, зубная ткань / 10 / 200
Дерево / 10 / 100
Мягкая сталь / 10 - 10 / 400
Высокопрочная сталь / 10 / 1000
Хотя в деталях механизм поглощения столь огромных количеств энергиив виде работы разрушения в вязких трещиностойких материалах часто являетсятонким и сложным, общий принцип его действия весьма прост. В хрупком твердомтеле работа, производимая в процессе разрушения, на самом деле сводитсяк той работе, которая необходима, чтобы разорвать химические связи на возникающейв процессе разрушения новой поверхности или в ее непосредственной окрестности.Как мы уже видели, соответствующая энергия мала и составляет около 1 Дж/мВ трещиностойком материале, несмотря на то что прочность и энергия каждойиндивидуальной связи остаются теми же, изменения структуры материала впроцессе разрушения распространяются на гораздо большую глубину. Практическиэти изменения вполне могут распространяться на глубину свыше сантиметра,то есть на глубину, измеряемую 50 млн. атомов под видимой поверхностьюразрушения. Поэтому если в процессе нагружения разорвется только одна межатомнаясвязь, то энергия, требуемая для образования новой поверхности, увеличитсяв миллионы раз, что, как мы видели, и имеет место в действительности. Молекулы,находящиеся вдали от поверхности разрушения, способны, таким образом, поглощатьэнергию и вносить свой вклад в сопротивление разрушению.
Высокие значения работы разрушения мягких металлов обязаны в первую очередьпластичности этих материалов. Это означает, что при их растяжении криваядеформирования отклоняется от закона Гука при совсем небольших напряжениях,после чего материал начинает деформироваться пластически, подобно пластилину(рис. 21). Если стержень или лист из такого металла разрушается в результатерастяжения, то, перед тем как произойдет разрыв, материал вытягивается словнопатока или жевательная резинка. На концах в месте разрыва образец принимаетконическую форму и выглядит примерно так, как показано на рис. 22. Такую формуразрушения часто называют шейкообразованием.
Рис. 21. Кривая деформирования для пластичного металла (мягкая сталь).Заштрихованная область представляет работу разрушения металла.
Рис. 22. Работа разрушения пропорциональна объему пластичсскидеформированного металла (заштрихованная область) и поэтому, грубо говоря,пропорциональна t. Работа разрушения тонкого листа может быть оченьмалой. а - металлическая плита большой тощины, б - тонкий металлическиилист.
Шейкообразование и другие подобные формы пластического разрушения возможныпотому, что многие из бесчисленных слоев атомов в кристаллах металла способныскользить относительно друг друга. Дислокационный механизм этого скольженияне только обеспечивает взаимное проскальзывание слоев подобно картам вколоде, но и поглощает энергию, и весьма большую. Результатом всех этихсдвигов, скольжений и смещений в кристаллах является то, что металл обретаетспособность значительного формоизменения и поглощения упругой энергии.
Дислокационный механизм скольжения, постулированный первоначально Дж.Тейлором в 1934 г., был предметом интенсивных научных исследований в течениепоследних 30 лет. Он оказался исключительно тонким и сложным. Процессы,происходящие в столь, казалось бы, простой вещи, как кусок металла, оказалисьне менее хитроумными, чем большинство процессов в живых биологических тканях.Забавно, что этот хитроумный механизм, вероятно, не конструировался с какой-тоопределенной целью. Природа сама не может, так сказать, извлекать из негопользу, поскольку в своих конструкциях она никогда не использует металлы,которые и в самородках-то встречаются весьма редко. Однако дислокации вметаллах оказались чрезвычайно полезными для инженеров, можно сказать, что онибыли изобретены для их пользы, поскольку именно благодаря дислокациям металлыне только обладают трещиностойкостью, но и допускают ковку, обработку давлениеми одновременно упрочение.
А вот у искусственно созданных пластиков и волокнистых композитов способыпоглощения упругой энергии при разрушении иные. Механизм их совершенно отличенот механизма поглощения металлов, но достаточно эффективен. У биологическихматериалов также, по-видимому, имеются весьма совершенные механизмы получениябольших величин энергии разрушения, которые работают весьма изощренным образом.Способ, реализующийся, например, в древесине, исключительно эффективен, иработа разрушения дерева, взятая на единицу веса, больше, чем для большинствасортов стали.
Продолжим теперь обсуждение вопроса о том, как упругая энергия в эластичнойконструкции умудряется перейти в работу разрушения. Если угодно, в чемже действительная причина разрушения?