книги из ГПНТБ / Пух В.П. Прочность и разрушение стекла
.pdfА К А Д Е М И Я Н А У К |
С С С Р |
ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. ИОФФЕ
В. П. ПУ.Х
ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ СТЕКЛА
УДК 539.4 : 53S.213-\-539.213.2 |
: 530.4 |
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 и л |
и к а т н о г о |
с т е к л а п |
м е х а н и з м е его р а з р у ш е н и я . Б о л ь ш о е в н и м а |
||
ние |
у д е л е н о |
о п и с а н и ю |
м е х а н и з м а у п р о ч н е н и я |
л и с т о в о г о |
с т е к л а п р и |
х и м и ч е с к о й |
п о л и р о в к е |
и р а з у п р о ч н е н и я его |
в с л е д с т в и е |
м е х а н и ч е |
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 о к а з а н о , что с т е к л о о б р а з н о м у |
в е щ е с т в у п р и с у щ а |
ч р е з в ы ч а й н о |
|
в ы с о к а я п р о ч н о с т ь (500 |
к Г / м м 2 ) , |
о г р а н и ч е н н о е п р о я в л е н и е к о т о р о й |
|
в р е а л ь н ы х у с л о в и я х |
о б ъ я с н я е т с я д е ф е к т н о с т ь ю |
п о в е р х н о с т и , , . |
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
ф л у к т у а ц и о н н о м |
м е х а н и з м е |
р а з р у ш е н и я с т е к л а . Б и б л . — 339 н а з в . , |
р и с . — 78, т а б л . |
— 4 . |
/ |
О т в е т с т в е н н ы й |
р е д а к т о р |
|
д о к т о р т е х н . н а у к В. |
А. |
СТЕПАНОВ |
П31411-1159
042 (02)—73 488—73 © Издательство «Наука» 1973
Посвящается памяти профессора Федора Федоровича Вшпмана
В В Б Д Е І Р П Е
Стекло уже давно привлекает к себе внимание как материал, обладающий уникальными свойствами: про зрачностью, химической стойкостью и идеальной упруго стью.
В начале X X в., развивая |
идеи А. Ф.Иоффе и Гриф- |
фитса [1—5] о решающей ]золи |
поверхности в прочности |
твердых тел, С. Н. Журков [6—8] при исследовании стек лянных волокон получил рекордные для прочности твер дых тел значения, достигающие 1000 кГ/мм2 . Им же были проведены первые опыты по упрочнению стеклянных во локон и стержней химической полировкой в растворах фтористоводородной кислоты.
В пятидесятые годы по инициативе Ф. Ф. Витмана* работы по упрочнению силикатного стекла были продол жены в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе применительно к массивному листовому стеклу [9—14], В работах [9—14] удалось показать, что высокая прочность, намного превосходящая прочность обычных коиструк-
* Н а у ч н а я д е я т е л ь н о с т ь Ф е д о р а Ф е д о р о в и ч а В и т м а н а н е р а з р ы в н о с в я з а н а с Ф Т И им1 .. А . Ф . И о ф ф е , к у д а о н п о с т у п и л в 1930 г . п о с л е о к о и ч а п п я Л П И . П о д е г о н а у ч н ы м р у к о в о д с т в о м в ы п о л н е н ы ф у н д а м е н т а л ь н ы е и с с л е д о в а н и я по о с т а т о ч н ы м н а п р я ж е н и я м , х л а д н о л о м к о с т и и п о в е д е н и ю м а т е р и а л о в в ш и р о к о й о б л а с т и с к о р о с т е й н а г р у ж е н и я . Эти р а б о т ы в ы д в и н у л и его в ч и с л о в е д у щ и х у ч е н ы х в о б л а с т и м е х а н и ч е с к и х с в о й с т в т в е р д ы х т е л . З а 40 л е т н а у ч н о й
р а б о т ы Ф . |
Ф . |
В п т м а н о м о п у б л и к о в а н о о к о л о |
150 с т а т е й , |
н е с к о л ь к о |
, - у ч е б п и к о в |
и |
м о н о г р а ф и й . Эта м о н о г р а ф и я |
т а к ж е б ы л а |
з а д у м а н а |
Ф е д о р о м Ф е д о р о в и ч е м , но о н не у с п е л ее н а п и с а т ь п э т у м и с с и ю в з я л и а с е б я о д и н и з е г о б л и ж а й ш и х у ч е н и к о в .
1* 3
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:
|
|
|
(1) |
где а — приложенное |
напряжение; ас — критическое |
||
напряжение; |
а — поверхностная энергия; |
Е — модуль |
|
нормальной |
упругости; |
с — постоянная; |
L — длина |
трещины. |
|
|
|
Трещины |
с длиной, |
меньше критической, |
определяе |
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
|
|
|
•c = v |
w |
, |
|
(2) |
|
где U0 |
— энергетический |
барьер |
(для |
металлов |
близок |
|||
к энергии сублимации, |
для полимеров — к энергии те^ |
|||||||
мической деструкции); |
т0 |
—постоянная |
для всех |
исследо-- |
||||
ваных |
тел, |
колеблется |
в |
пределах |
10"1 3 —10"ц сек., |
|||
т. е. близка |
к периоду |
тепловых |
колебаний атомов; у — |
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,
А. Н. Орловым, В. И. Владимировым |
и др. [93—94]. |
|
Согласно кинетической концепции, разрыв тела под |
||
нагрузкой есть результат временного |
процесса, |
р а з в е |
вающегося в материале под действием термических |
флук-' |
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
|
|
|
|
|
|
(3) |
где а і е о р |
— теоретическая прочность; а — поверхностная |
|||||
. энергия; |
Е — модуль нормальной упругости; |
а — меж- |
||||
" молекулярное |
расстояние. |
Полагая для |
стеклаи=1 X |
|||
Х Ю - 4 к Г / м м , £ =7000 кГ/мм2 |
и а=3 . 6 - 10 - 7 мм, |
получим |
||||
оТ „О Р =3-103 кГ/мм2 . |
из |
предположения, что работа |
||||
Кондон [104] исходил |
||||||
разрыва |
равна |
поверхностной энергии |
вновь |
образуе |
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
сечения определялось |
по величине иона кислорода. По |
их оценке, сТ О О Р =2500 |
кГ/мм2 . |
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