Енергетичнi характеристики поверхневих шарiв i фiзико-механiчнi властивостi твердих тiл

 

yp, ai, bi характеризують змiни границi мiцностi та поверхневої енергiї i мають постiйнi значення для двох пiддiапазонiв розмiрiв lт1 = [0, 05 м;

0, 02 м], lт2 = [0, 02 м; 0, 005 м] зразкiв, яким вiдповiдають iндекси “1”, “2”.

Крiм того, для визначення енергетичної характеристики поверхнi yp не обов’язково проводити аналiз напружень у вершинi надрiзу, що значно спрощує об’єм числових розрахункiв. Але аналiз фiзичних параметрiв граничного стану зразкiв поблизу вершини трiщини i в перерiзi нетто між надрізами необхiдний для того, щоб встановити однозначну вiдповiднiсть мiж граничними значеннями поверхневої енергiї Ws у вершинi трiщини, поверхневої енергiї у вiддаленiй вiд трiщин точцi “M” i ефективної поверх-невої енергiї gef. Це важливо, оскiльки бiльш детальний аналiз показав, що не у всiх точках поблизу вершини трiщини для всього дiапазону розмiрiв зразкiв є однозначна вiдповiднiсть мiж характером змін Ws i gef. На основi аналiзу отриманих даних виявлено, що, незважаючи на суттєво нелiнiйний характер залежностi граничних руйнуючих напружень sв зразкiв сталi 22 К стандартного розмiру вiд температури, вiдношення параметрiв “dbi = ypi/bi” майже лiнiйно змiнюється при температурах T = [183 K... 313 K]. Встановлено, що вiдношення dbi лiнiйно залежить вiд температури (у промiжку T = [163...

... 313 K]) i для пiддiапазону розмiрiв трiщин lт1 = [0, 05 м; 0, 02 м] має у два рази бiльше числове значення db1 = yp1/b1, а також у два рази бiльший нахил порiвняно з аналогiчними db2 = yp2/b2 для менших розмiрiв lт2 = [0, 02 м; 0, 005 м].

Встановлено, що якщо не враховувати поправку ry (20), то значення yp (17) у зразках сталi 22К на 150%, 43%, 9% бiльші порiвняно з даними неуточненої методики при температурах 293 K, 258 K, 228 K вiдповiдно. Виявлено, що зміни значень yp у зразках сталi 22К залежать не тільки від матеріалу й температури, але й від форми перерізу нетто між надрізами, один з розмірів якого умовно зменшується за рахунок поправки ry. Для даного типу зразків і навантаження пластичні процеси у вершині тріщини (які кількісно характеризуються поправкою ry) ослаблюють вплив поверхневого шару (демпфують його) і це приводить до зменшення енергетичного параметра yp.

Проведено дослiдження особливостей розмiрного ефекту мiцностi в зразках кам’яної солi (рівних довжин, в перерізі – квадрат (hґh)), якi пiдда-ються розтягу. Дiапазон зміни їх поперечних розмiрiв – h = [1, 5... 6 мм]. Для них розраховано об’ємну i поверхневу складові у виразі граничного напру-ження. При збільшенні зразків (h) структурні дефекти сердечника менш інтенсивно взаємодіють з поверхневою областю тіла, тому пропорційнаоб’єму складова граничного напруження монотонно зменшується від db =

= 0, 604 до db = 0, 087. В той же час поверхнева складова зростає від 11% до 15%, досягає максимального значення при h = 3 мм, i надалi зменшується від 15% до 13%. Така зміна характеру dg пов’язана з тим, що геометричний параметр h в об’ємну складову граничного напруження входить у степені “-2” (тобто h-2), а у поверхневу складову як h-1/2. У піддіапазоні ha = [1, 5... 3 мм] відносна зміна об’ємного члена типу h-2 випереджає зміну (поверхневого) члена, пропорційного h-1/2, на 39%, а в піддіапазоні hb = [3... 6 мм] навпаки, відносна зміна геометричного члена типу h-2 відстає від зміни члена типу h-1/2 на 51%. Характер зміни членів типу h-2, h-1/2 у кожному з піддіапазонів ha, hb впли-нув на відповідну орієнтацію відношень dga. dgb.

Розроблено методику дослiдження енергетичних параметрів, що характеризують особливостi розмiрного ефекту мiцностi в зразках, якi мiстять бокову трiщину (надрiз) i пiддаються консольному згину, з врахуванням внес-кiв об’ємної i поверхневої складових у числове значення границi мiцностi. На основi вказаної методики проведено аналiз експериментальних даних для зразкiв титанового сплаву ВТ14. Побудовано залежність ефективної поверхневої енергії gef від граничного значення поверхневої енергії Ws (яка відповідає руйнуван-ню) для заданого діапазону зміни ширини зразків ВТ14 b = [6... 1 мм] (довжи-на l і товщина h – незмінні). Залежність однозначна, монотонно зростаюча (відповідно до зменшення розміру b) і досить близька до лінійної. Установ-лено, що енергетичний параметр поверхневого шару yt (18) не є характерис-тикою матеріалу (ВТ14) поблизу вершини тріщини, а характеризує весь зра-зок (точніше, його поверхню) із конкретної форми тріщиною в заданому діапазоні зміни розмірів, якщо діє певне зовнішнє навантаження. Відношення типу “dy =

= yp/ (b3) 0, 5” (у знаменнику параметр b3, який відповідає за зменшення чи збільшення поверхневої енергії Ws у процесі зміни розмірів b зразків, зокрема, для титаного сплаву ВТ14 – Ws = (a3 + b3/b) 0, 5) у першому наближенні можна використати для оцінки інтенсивності розмірного ефекту міцності, якщо задано діапазон зміни розмірів зразків і в цьому діапазоні параметри yp, b3 – постійні.

Виявлено, що внесок об’ємної складової в оцiнку термодинамiчних параметрiв стану для ВТ14 не особливо суттєвий, тобто знаходиться в межах du = [0, 0116... 0, 0523], але якщо його не враховувати, то розрахованi граничні значення параметрiв мають у два рази бiльшi вiдхилення вiд експеримен-тальних, а