Физические основы прочности материалов


Л.Б. ЗУЕВ, В.И. ДАНИЛОВ





                ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
                ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ





Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки
151600 «Прикладная механика» и 223200 «Техническая физика»

Ответственный редактор академик РАН Б. Д. Аннин

Второе издание







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2016

Учебное пособие создано
в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и Национальном исследовательском Томском политехническом университете в соответствии с рекомендациями Ученых советов ИФПМ СО РАН и НИ ТПУ
Рецензент — д.ф.-м.н. С.Л. Баженов




   Л.Б. Зуев, В.И. Данилов
     Физические основы прочности материалов: Учебное пособие / Л.Б. Зуев, В.И. Данилов — 2-е изд. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2016. — 376 с.
     ISBN 978-5-91559-196-6

    В книге изложены основные сведения о природе прочности и пластической деформации твердых тел разной природы. Приведены сведения о дефектной структуре твердых тел, поведении и взаимодействии дефектов. Рассмотрены основные вопросы теории дислокаций и описываемые на ее базе представления о пластической деформации и разрушении твердых тел. Рассмотрены проблемы получения материалов с прочностью, приближающейся к теоретической. Объяснена природа высокопрочного состояния, ее физический смысл, а также описаны прочностные свойства используемых в технике высокопрочных материалов.
    Рассмотрены современные теории разрушения твердых тел и введены количественные характеристики, описывающие сопротивление разрушению.
    Проанализированы методики испытания металлов и сплавов при активном нагружении, ползучести, релаксации упругих напряжений и при усталости.
    Для студентов и преподавателей по направлениям подготовки высшего профессионального образования «Прикладная механика» и «Техническая физика», а также аспирантов, специализирующихся в областях, связанных с физикой прочности и физического металловедения.
    Первое издание учебного пособия широко используется в ведущих российских университетах.





ISBN 978-5-91559-196-6

      © 2013, Л.Б. Зуев, В.И. Данилов
      © 2016, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ









    От редактора.................................................7
    Предисловие..................................................9

    Глава 1
    ПРОЧНОСТЬ. КУЛЬТУРА. ЦИВИЛИЗАЦИЯ.......................13
       1.1. Физика прочности и другие науки................15
       1.2. Деформация и ее локализация....................18
       1.3. Прочность материалов как характеристика, определяющая прогресс............................................21
       1.4. Этапы развития науки о прочности...............23
       1.5. Они создали науку о прочности..................30
       Литератур а.........................................36

    Глава 2
    КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ.............................................37
       2.1. Напряжения, деформации, напряженно-деформированное состояние...........................................38
       2.2. Машины для механических испытаний..............44
       2.3. Показатели пластичности и прочности............46
       2.4. Методы ударных испытаний.......................55
       2.5. Статистическая обработка результатов механических испытаний...........................................58
       Литератур а.........................................66

    Глава 3
    КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА И ЕЕ ДЕФЕКТЫ...................67
       3.1. Структура идеального кристалла.................68
       3.2. Дефекты кристаллического строения и их классификация.77

—I Оглавление

       3.3. Точечные дефекты в кристаллах......................78
       3.4. Подвижность точечных дефектов. Элементы теории диффузии.............................................81
       3.5. Линейные дефекты. Элементарная теория дислокаций...88
       3.6. Поверхностные дефекты кристаллического строения...111
       3.7. Объемные дефекты в кристаллах.....................115
       3.8. О взаимодействии дефектов разных типов............117
       3.9. Дефекты кристаллического строения и прочность материалов..........................................121
       Литератур а............................................123

    Глава 4
    ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ...............................125
       4.1. Физический смысл теоретической прочности и оценки ее величины..........................................125
       4.2. Кристаллические объекты с теоретической прочностью ..........................................128
       4.3. Прочность волокон и нитей микроскопической толщины.............................................135
       4.4. Прочность тонких пленок...........................140
       4.5. Прочность фуллеренов, углеродных нанотрубок и графеновых слоев..................................147
       4.6. Неожиданные следствия высокой прочности материалов.161
       Литератур а.............................................162

    Глава 5
    ДЕФОРМАЦИОННОЕ И ПРИМЕСНОЕ УПРОЧНЕНИЕ......................163
       5.1. Общий принцип описания упрочнения материалов......165
       5.2. Деформационное упрочнение. Основные определения...166
       5.3. Основные теории деформационного упрочнения........168
       5.4. Деформационное упрочнение поликристаллов..........179
       5.5. О локализации пластической деформации.............181
       5.6. Элементарные сведения о структуре сплавов.........191
       5.7. О природе примесного упрочнения...................194
       5.8. Упрочнение твердых растворов и сплавов с выделениями вторых фаз..........................................196
       5.9. Упрочнение двухфазных сплавов.....................200
      5.10. Упрочнение при сегрегации примесей на дислокациях.203

Оглавление —I 5

   5.11. Конденсированные атмосферы на дислокациях........206
   5.12. Общие замечания об упрочнении....................208
   Литератур а............................................210

Глава 6 ВЫСОКОПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТЕХНИКЕ......................211
    6.1. Конструкционная прочность материалов.............211
    6.2. Высокопрочные сплавы.............................214
    6.3. Нанокристаллические материалы....................227
    6.4. Керамические материалы...........................232
    6.5. Аморфные материалы...............................240
    6.6. Прочность полимеров..............................243
    6.7. Композитные материалы, принципы их создания и прочность..........................................251
    Литератур а...........................................258

Глава 7 РАЗРУШЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.................................259
    7.1. Пластическая деформация и разрушение. Вязкость и хрупкость.................................260
    7.2. Зарождение трещин при пластической деформации....263
    7.3. Теория трещин Гриффитса и Баренблатта............265
    7.4. Учет вклада пластичности при разрушении..........272
    7.5. Линейная механика разрушения.....................275
    7.6. Рост хрупких трещин..............................278
    Литератур а...........................................282

Глава 8 РАЗРУШЕНИЕ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ...........................284
    8.1. Хладноломкость металлов и сплавов................284
    8.2. Сверхпроводящий переход и пластичность металлов..290
    8.3. Разрушение адиабатическим срезом.................292
    8.4. Жидкометаллическое охрупчивание металлов.........294
    8.5. Водородная хрупкость металлов....................297
    8.6. Эффекты, сопутствующие разрушению ...............301
    8.7. Разрушение горных пород и проблема землетрясений.304
    8.8. Локализация пластического течения на стадии предразрушения.......................................309
    Литератур а...........................................313

Оглавление

6

Глава 9
ПОЛЗУЧЕСТЬ И ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ
МАТЕРИАЛОВ..................................314

   9.1. Стадийность процесса ползучести..............314
   9.2. Механизмы ползучести при низких температурах.319
   9.3. Высокотемпературная ползучесть...............322
   9.4. Диффузионная ползучесть......................325
   9.5. Неупругая ползучесть.........................327
   9.6. Разрушение при ползучести....................329
   9.7. Релаксация упругих напряжений................332
   9.8. Длительная прочность материалов..............334
   Литератур а........................................336

Глава 10
ПРОЧНОСТЬ ПРИ ПОВТОРНО-ПЕРЕМЕННОМ
НАГРУЖЕНИИ...........................................337

   10.1. Режимы усталостных испытаний..........................337
   10.2. Кривая усталости Вёлера...............................339
   10.3. Малоцикловая, многоцикловая и гигацикловая усталость..341
   10.4. Характер усталостного разрушения......................343
   10.5. Рост усталостной трещины и стадийность разрушения.....345
   10.6. О возможности прогнозирования усталостного разрушения.349
   Литератур а.................................................352

Заключение.....................................................354
Список литературы..............................................357
Приложение 1 ВОЛНЫ И АВТОВОЛНЫ..............................................359
    Литератур а................................................367

Приложение 2 СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ..........................................368

            ОТ РЕДАКТОРА










           О проблеме прочности материалов знают все. Все уверены, что материал должен быть прочным, что он не должен разрушаться при действии нагрузки и что существуют разные методы его упрочнения. Однако мало кому известны физические и механические причины упрочнения. А такое понимание необходимо всем, кто связан с технологиями получения материалов, конструированием машин и механизмов из них и эксплуатацией таких агрегатов.
    Учебное пособие «Физические основы прочности материалов» написано профессорами Л.Б. Зуевым и В.И. Даниловым, известными специалистами в этой области, предложившими автоволновой подход к описанию локализованной пластичности твердых тел. Авторы имеют большой опыт преподавания этой дисциплины в университетах, и поэтому книга, написанная ими, отличается в первую очередь, тщательным отбором материала и высоким научным уровнем его изложения.
    Книга содержит 10 глав, отражающих основную информацию о структуре идеальных кристаллических материалов и о дефектах этой структуры, вакансиях и дислокациях, о механизмах упрочнения материалов, их разрушении и, наконец, об их отклике на действие нагрузки при разных режимах ее приложения — активном нагружении, ползучести, релаксации упругих напряжений, усталостных испытаниях. Книга содержит также очень интересную гл. 6, посвященную прочности реальных конструкционных материалов. В этой главе рассмотрены механические свойства традиционных высокопрочных материалов (металлы, сплавы, композиты). Кроме того, здесь описаны механические свойства новых материалов современной техники — тонких пленок, аморфных и нанокристаллических сплавов, фуллеренов, углеродных трубок, графена. Красной нитью через всю книгу проходит признание того обстоятельства, что механические

—I     От редактора

свойства формируются во взаимодействии образца с испытательной машиной, детали с другими деталями и т. п. В этом представленная книга выгодно отличается от многих других, в которых, например, вопросы упрочнения рассматриваются только на основе теории взаимодействующих дефектов.
       Во всех главах книги авторы старались обеспечить общность используемых при описании исследуемых явлений подходов. Это в особенности удалось им в ходе анализа механизмов деформационного и примесного упрочнения металлов и сплавов в гл. 5. Здесь авторы добились единой точки зрения на два эти механизма и показали, что оба вида упрочнения материалов имеют в своей основе единую модель взаимодействия дислокаций с полями внутренних напряжений разного происхождения.
       Хотелось бы отметить еще одну важную особенность книги Л.Б. Зуева и В.И. Данилова. Авторы стремятся на всех этапах иллюстрировать изложение простыми физическими моделями и количественными оценками, которые часто удается довести до реального сравнения с экспериментом. Это очень важно, поскольку с одной стороны делает изложение материала более понятным, а с другой — учит читателя выбору простых физических моделей изучаемых явлений, что очень важно для всех исследователей.
       Для кого же предназначена эта книга? Конечно, она будет полезна студентам, магистрантам и аспирантам, специализирующимся в соответствующих областях науки техники. Но в то же время инженеры разного профиля и начинающие научные работники найдут в ней много полезного. Книга хороша также для первого знакомства с проблемой пластичности и прочности материалов.


                                         Ответственный редактор академик БД. Аннин

            ПРЕДИСЛОВИЕ










              Как и многие учебники и учебные пособия, настоящая книга явилась результатом многолетнего преподавания авторами такого курса в ряде университетов. При чтении лекций мы стали ощущать необходимость дать слушателям учебное пособие, которое включало бы в себя весь материал курса. Эта мысль послужила внешним стимулом к появлению настоящей книги. Одновременно на нас действовал и внутренний стимул, который определялся нашим профессиональным интересом к физике пластичности и прочности, основанном на многолетнем партнерстве в исследованиях самых разнообразных проблем в этой области.
       Каждый раз, начиная читать лекции о прочности, мы с досадой ощущали, что студенты представляют конструкционный материал — объект своих исследований или своей будущей производственной деятельности — всего лишь как таблицу величин, характеризующих механические свойства: упругие модули, пределы текучести и прочности, плотность и т. д. Необходимость поправить такое положение дел и представить студентам современное состояние физики твердого тела, физического материаловедения и теории прочности в комплексе определило тематику лекций и содержание этой книги. Главным стало намерение объяснить сложность отклика твердого тела на прилагаемую к нему нагрузку. Хотелось убедить читателя, что ясное понимание природы физических процессов, определяющих такой отклик, необходимо, даже если в распоряжении инженера-прочниста имеются изощренные компьютерные программы для расчетов и сверхмощные компьютеры для их проведения. Мы надеемся, склонить наших читателей к этой точке зрения.
       Здесь следует сказать, что в учебной литературе по прочности и пластичности материалов сложились два подхода к изложению материала. Первый из них ведет свое начало от знаменитой книги

—I Предисловие

    Я.И. Френкеля «Введение в теорию металлов» (последнее издание: Л.: Наука, 1972. 426 с.). Из более современных учебных курсов укажем здесь книгу А.Н. Орлова «Введение в теорию дефектов в кристаллах». (М.: Высшая школа, 1983. 144 с.). Развиваемый последователями этих авторов подход — назовем его физическим — стартует от общих принципов описания реакции твердого тела на внешнее механическое воздействие и характерен широким использованием простых физических моделей, допускающих количественную оценку. Можно сказать, что книги такого сорта учат читателя создавать физические модели.
       Второй подход может быть назван материаловедческим. Его сторонники стремятся максимально полно сообщить читателю о важнейших аспектах прочности и пластичности конкретных материалов. Возможно, этот путь был начат книгой Я.Б. Фридмана «Механические свойства металлов» (М.: Оборонгиз, 1952. 555 с.). Ее более позднее переиздание (Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В двух частях. М.: Машиностроение, 1972. Ч. 1. Деформация и разрушение. 472 с.; Ч. 2. Механические испытания. Конструкционная прочность. 368 с.) до сих пор служит наилучшим учебным пособием по прикладным проблемам прочности.
       Ярким примером учебной литературы такого сорта служит недавно вышедшая в переводе с немецкого языка превосходная книга И. Реслера, X. Хардерса и М. Бекера «Механическое поведение конструкционных материалов» (М.: ИД «Интеллект», 2011. 502 с.). Для книг такого рода характерно использование физических представлений и моделей в уже готовом (рецептурном) виде, с помощью заимствованных формул, соотношений и правил. В этом подходе читатель учится использовать физические модели.
       Итак, по нашему мнению, вопрос состоит в том, чему же учить студента в первую очередь — созданию или использованию физических моделей? Выбор того или иного способа изложения материала не определяется преимуществами одного из них. Скорее он задается личными пристрастиями и склонностями авторов. Не будем скрывать — нам ближе «френкелевский» подход к организации материала. Он и определил содержание книги и способы подачи материала в ней. Мы постарались ввести в текст как можно больше простых модельных представлений, объяснить принципы их построения и провести численные оценки.
       Излагая материал, мы стремились научить студентов приемам, используемым при интерпретации результатов механических испы

Предисловие

Дг ¹¹

    таний материалов. По существу, в книге описываются результаты экспериментов, ориентированных на выяснения природы отклика твердых тел на нагружение. Мы уверены, что осознание физической природы явления приходит только в результате хотя бы самых простых и грубых численных оценок наблюдаемых эффектов. Хотелось показать читателям, что даже этой «грубости» часто оказывается достаточно для понимания основных закономерностей явлений. Не в арифметике дело! Нет смысла гнаться за точностью, не отвечающей возможностям эксперимента. Даже грубые модели, не обремененные излишней детализацией, а, может быть, именно они, позволяют «ухватить» существо проблемы, высказать правильные и проверяемые догадки о физической природе явлений и продвинуться дальше в будущих экспериментах.
       Задумывая книгу, мы преследовали цель научить читателя интерпретировать результаты экспериментов в области физики прочности и пластичности. Мы должны здесь недвусмысленно заявить о своем глубоком убеждении в том, что теория прочности и пластичности является частью физики. Нельзя согласиться с крепнущей в последние годы тенденцией рассматривать прочность и пластичность как служебный раздел механики деформируемого твердого тела и материаловедения.
       Книга, в первую очередь, предназначена студентам, изучающим соответствующие курсы. Представляется также, что она будет полезна аспирантам при подготовке к сдаче кандидатского экзамена и научным сотрудникам, занимающимся физическими и материаловедческими проблемами прочности и пластичности твердых тел. Надеемся также, что она сможет принести определенную пользу также и специалистам в области механики деформируемого твердого тела и материаловедения.
       Мы сочли уместным дать в конце первой главы небольшой исторический очерк развития теории пластичности и прочности. Включение этого материала оправдано тем, что с одной стороны, физика прочности и пластичности интересна своим физическим содержанием, а с другой — физика прочности и пластичности и связанные с ней науки (механика деформируемого твердого тела, физика конденсированного состояния, физическое материаловедение и др.) обеспечивают человечество материалами, необходимыми для его прогресса во всех отраслях промышленности, энергетики и обороны.

¹² J\z

Предисловие

       Мы ясно осознаем, что любой вопрос, затронутый нами, описан в литературе многократно и, наверное, с большей точностью и глубиной, чем те, которых можно было добиться в этом учебном пособии. Однако такая литература в силу своего многообразия и различия в подходах не совсем годится для начального ознакомления с предметом.
       Авторы не стремились снабдить книгу обширной библиографией, так как с одной стороны это невозможно, а с другой — и не нужно в учебном пособии. Но и в конце книги и в конце каждой главы приведены списки литературы, относящиеся к ее содержанию. Разумеется, эти списки не претендуют на полноту охвата соответствующих тем. Эта литература предназначена для ознакомления заинтересованных читателей с более точными представлениями о существе дела. Мы позволили себе включить в списки некоторые достаточно старые (не путать с устаревшими!) монографии. Дело в том, что подобно рекам, которые наиболее чисты, не замутнены и живописны вблизи своих истоков, научные вопросы также максимально привлекательны и убедительны в оригинальном изложении. Кроме того, в старых книгах в силу их очевидной меньшей детализации, существенно проще уловить логику рассуждений. Мы убеждены, что без знакомства с этими книгами сколько-нибудь глубокое понимание проблем физики твердого тела и физики прочности и пластичности придти не может.



       Учебное пособие подготовлено при частичной финансовой поддержке гранта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы по мероприятию 1.1 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки кристаллических материалов» (Гос. контракт 14.740.11.0037 от 01.09.2010), а также гранта РФФИ 11-08-00237-а.


Л.Б. Зуев, В.И. Данилов

ГЛАВА

1



            ПРОЧНОСТЬ.
            КУЛЬТУРА.
            ЦИВИЛИЗАЦИЯ







               Понятие о прочности, как о свойстве материала, является, возможно, одним из наиболее древних в науке и человеческой культуре. Однако, несмотря на древнюю историю, оно до сих пор не потеряло своей значимости и актуальности. Прочность это, наверное, первое, о чем мы задумываемся, когда узнаем о новом материале, о его свойствах и предназначении. И это ничуть не удивительно: окружающая нас цивилизация материальна и построена на умелом и даже в чем-то изощренном использовании материальных тел. Это привычно для нас, и, когда мы встречаем в научно-фантастической литературе упоминания об «энергетических» цивилизациях, в которых вместо веществ используются физические поля, как, например, в книге А. Азимова, мы почти не в состоянии представить себе, о чем идет речь.
       Материалы служат нам, и в ходе этой службе должны уверенно и с гарантией выдерживать приложенные нагрузки. Совсем неважно, о каких нагружаемых объектах идет речь в этом случае — о рельсе, по которому мчится тяжело нагруженный поезд, о турбине авиационного двигателя, который несет современный авиалайнер из Европы в Америку над океаном, о стволе артиллерийского орудия или противостоящей его снаряду броне танка, о прутке стальной арматуры в железобетонной конструкции — все они требуют высокой прочности материалов.
       Прочность нужна скрипичной или рояльной струне, которые выдерживают тяжелые воздействия при своем звучании, она необходима скальпелю хирурга и шесту легкоатлета, который, разгибаясь, забрасывает тело на высоту третьего этажа, невероятным образом деформируясь и напрягаясь.
       Словом, можно заявить, что два связанных друг с другом понятия — прочность и надежность — ни много, ни мало — определяют существование человеческой цивилизации в ее теперешнем виде.

—I Глава 1. Прочность, культура, цивилизация

       В этой книге будут рассмотрены некоторые закономерности пластической деформации и разрушения твердых тел. Исследования этих явлений стали частью современной науки, по крайней мере, двести лет назад, но до полного понимания возникающих проблем пока далеко. Слишком серьезной и многоплановой оказалась эта проблема. Она охватывает физику, механику, химию, математику, то есть, все фундаментальные науки. Кроме того, она требует привлечения знаний из области металлургии, металловедения, обработки давлением и множества других прикладных, технических наук.
       Благодаря такому подходу, современное материаловедение разделилось на крупные разделы, которые в настоящее время рассматриваются как почти самостоятельные науки. В соответствии с изучаемыми материалами сформировалась тенденция выделять в отдельные области:
       •  материаловедение металлов;
       •  материаловедение керамик;
       •  материаловедение полимеров;
       •  материаловедение композиционных материалов.
       Вероятно, такой подход оправдан в силу специфики структур исследуемых материалов и, главным образом, различия в областях их применения. Однако при таком разделении быстро возникает опасность забыть о том важном обстоятельстве, что в основе создания материалов вообще и материалов с высокой прочностью, в частности, лежат одни и те же физические явления, очень схожие друг с другом и часто отличающиеся друг от друга только количественными показателями. По этой причине наряду с развитием частных подходов к прочности металлов или полимеров, необходимо, хотя бы время от времени, обращаться к принципиальным физическим основам процессов упрочнения, понимая, что физика этих явлений близка для всех этих материалов. Именно с такой точки зрения и попытались авторы построить изложение в этой книге.
       Начиная наше изложение, следует определить понятие пластической деформации, под которым подразумевается необратимое изменение формы тела, вызванное внешними причинами. Среди таких внешних причин назовем внешние механические усилия искусственного или природного происхождения, температуру (нагрев или охлаждение) и состав внешней среды. Иначе говоря, в области наук и прочности и пластичности мы должны в первую очередь научиться описывать и объяснять реакцию материала на всевозможные внешние