Енергетичнi характеристики поверхневих шарiв i фiзико-механiчнi властивостi твердих тiл

Встановлено, що енергетичнi параметри, якi характеризують розмiрний ефект мiцностi в стиснутих полiуретанових зразках, зростають лiнiйно при збiльшеннi твердостi Tш. Винятком є нелiнiйне зростання модуля Юнга при збiльшеннi Tш. При цьому в дiапазонi Tш = [20... 50 од. Ш] (1 од. Ш – одиниця твердостi за Шором) енергетичний параметр поверхнi зростає на 76%, а параметр, що характеризує змiцнення, на 181%.

З допомогою енергетичних характеристик поверхні, що відповідають розмірному ефекту міцності в геометрично подiбних цилiндричних зразках iз оптичного ситала СО-115М при осьовому стиску, розраховано границю мiцностi стиснутих призматичних зразкiв, значення якої вiдрiзняються вiд експериментального на 10% (при цьому похибка експерименту 13%).

З допомогою введених в дисертаційній роботі енергетичних характе-ристик поверхневих шарів можна не тільки якісно (як це було раніше), але й кількісно на основі безрозмірних співвідношень формулювати умови інтенсивності розмірного ефекту міцності і особливості зміни його харак-теру (наприклад, перехід від “нормального” до “аномального” ефекту), а також досліджувати вплив на ці співвідношення різних факторів (твердості, невідповідності між мікронним і міліметровим розмірним діапазоном і т. д.).

Для скляних прямокутних стержнiв, якi пiддаються згину, проведено розділення граничних напружень sр на дві складові sр = sр1 + sр2, одна з яких (sр1) залежить від модуля Юнга та питомої енергії розсіяння в сердечнику, друга (sр2) – від розмірів і енергетичних характеристик поверхневих шарів. Виявлено, що складова sр2 неперервно змiнюється в залежностi вiд швид-костi навантаження vs i при певному її значеннi (vs = 97 кПа/с) має мiнiмум. Залежність нових енергетичних характеристик поверхневих шарів від швид-костi vs нелінійна і монотонно зростаюча за абсолютною величиною, оскільки із збільшенням vs дислокації в тілі стають менш рухомими і гальмують процес переходу матеріалу в граничний стан.

Проведено аналiз експериментальних даних, що характеризують вплив розмiрного фактора на втомну мiцнiсть призматичних зразкiв п’єзокерамiки ЦТБС-3, якi мають прямокутний перерiз i виконують згиннi коливання частотою f = 17, 8 кГц. Встановлено, що для дiапазону змiни числа циклiв Nц = [105... 109 ] енергетичнi параметри yв, kв (iндекс “в” вiдповiдає втом-нiй мiцностi при згинi у співвідношенні (18)) зменшуються на 43, 2 % i 44, 45% вiдповiдно. При цьому yв зменшується монотонно i на кiнцевiй дi-лянцi (Nц = [108... 109]) буде практично постійною величиною, а змiна пара-метра kв (для (Nц = [105... 109]) має немонотонний характер з локальнимимаксимумом i мiнiмумом. В результаті виділимо три монотонні стадії.

На прикладi одновiсно розтягнутих у повiтрi при кiмнатнiй температурi стержнiв полiетилену високого тиску (ПЕВТ) марки 10802-020 (дiапазон розмiрiв яких Rk = [2, 5... 10 мм]) дослiджено вплив гамма-променiв дозою Фg = 0, 5 МГр на енергетичнi характеристики поверхнi i особливостi роз-мiрного ефекту мiцностi поблизу границь текучостi та мiцностi. Гамма-промені сприяють появі у тілі точкових дефектів, які закріплюють дислокації і утруднюють їх старт для зразка, стан якого наближається до границі текучості. Якщо ж стержні поліетилену навантажені до границі міцності, то гамма-промені ослаблюють зв’язки між атомами і знижують цю границю. При цьому появляється піддіапазон d = [5... 10 мм] з аномальним розмір-ним ефектом (границі міцності), піддіапазон d = [10... 15 мм] з досить різко вираженим нормальним розмірним ефектом, а також піддіапазон d = [15...... 20 мм] із слабо вираженим розмірним ефектом. Хоча в кожному піддіапа-зоні є свої значення нововведених енергетичних характеристик поверхні, в ме-жах усього діапазону d = [5... 20 мм] вони зростають у середньому в 3 – 4 рази, що відображає загальну тенденцію “нормального” розмірного ефекту.

Для сферичних i цилiндричних тіл розроблено методику розрахунку зв’язку мiж граничними величинами внутрiшнiх гiдростатичних тискiв, на значення яких впливає розмiрний ефект мiцностi, i гаусовою кривизною внутрiшнiх поверхонь з врахуванням енергетичних характеристик поверх-невих шарiв. На прикладi навантажених внутрiшнiм гiдростатичним тиском сферичної посудини i цилiндричної труби з рiвними внутрiшнiми i зовнiш-нiми радiусами виявлено, що рiзниця додаткових, викликаних розмiрним ефектом, граничних тискiв може складати Dp = [110... 120% ] (для олова). Зокрема, бiльшому значенню кривизни внутрiшньої поверхнi (сферична посудина) вiдповiдає бiльший додатковий тиск. Встановлено, що хоча площі внутрішніх поверхонь еквівалентних (з рівними об’ємами) циліндричної тру-би Sцт і сферичної посудини Sсп незначно відрізняються (Sцт/Sсп = 1, 05), розмірний ефект у сферичній посудині проявляється більше тому, що в ній внутрішня поверхня деформується у двох взаємно пенпердикулярних напрямах (в той час як у циліндричній трубі тільки в напрямку зростання периметру кола).

Розроблено методику оцiнки енергетичних характеристик поверхнi i обгрунтовано закономiрностi розмiрного ефекту мiцностi в зразках з надрiза-ми, якi пiддаються розтягу, з врахуванням поправки на пластичнiсть ry у вершинi надрiзу.

Аналiзуючи вiдповiднi фiзичним процесам у прямокутних зразках сталi 22К з двома симетричними надрiзами експериментальнi данi, виявлено, що для обгрунтування особливостей розмiрного ефекту мiцностi замiсть ефек-тивної поверхневої енергiї gef бiльш зручно використати нововведенiпараметри yp (17), а також постійні коефіцієнти ai, bi (i = 1, 2) у формулах:

 

Ws1 = a1 +