Три уровня моделей материала.
В настоящее время исследования материала ведутся на различных уровнях с использованием разных моделей материала. Условно можно выделить три уровня моделей материала (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Три уровня моделей материала: а — физические модели; б — инженерно-физические модели; в — инженерные модели (модель сплошной среды)
Физические модели изучаются в физике твердого тела. Для описания поведения материалов под действием напряжений и других физических свойств рассматривается. модель в виде кристаллической решетки атомов.
В реальных материалах кристаллические решетки имеют различного рода дефекты, снижающие прочность (теоретическая прочность металлов приблизительно в 10 раз выше практически достигнутой), В решетке могут быть точечные дефекты — вакансии (отсутствие атома в одном из узлов решетки), внедрения (один из атомов сместился или внедрился в другую ячейку) (рис. 1.6, а).
Встречаются и друтие несовершенства кристаллических решеток.
В настоящее время с помощью электронных микроскопов и других приборов можно наблюдать тонкую структуру металлов, что дает возможность изучать на физическом уровне сопротивление материалов внешним воздействиям. На рис. 1.7 показана фотография структуры материала ВТЗ-1 в месте разрушения при увеличении в 6600 раз, полученная на электронном микроскопе.
Рис. 1.7. Фотография излома материала
На фотографии видны следы отдельных нагружений в виде «бороздок» по мере развития трещины.
Физические модели направлены на изучение влияния несовершенств кристаллической решетки на их прочность, на исследования возможностей повышения прочности и пластичности металлов и сплавов, но они не дают оценки механических свойств реальных материалов.
Инженерно-физические модели рассматривают материал как совокупность зерен с различной ориентированной кристаллической структурой (рис. 1.6, б). Для описания свойств реальных тел учитывается случайный характер размеров зерен и направлений кристаллографических плоскостей. Подобные модели позволяют объяснить ряд важных особенностей поведения материала, но еще не могут служить основой практической оценки прочности материалов. Основное назначение инженерно-физических моделей — выработать научные основы статистического описания механических и других свойств материала.
Инженерные модели сплошной среды рассматривают материал как сплошное и однородное тело. Такие модели осредняют свойства в объемах материала, содержащих достаточно большое число структурных элементов (например, зерен материала). Однородность понимается в том смысле, что все неоднородные дискретные структурные элементы заменяются «осредненной» непрерывной средой.
Замена материала дискретного, разнородного строения (например, мелкозернистого) однородной средой имеет практический смысл лишь в том случае, если осреднение возможно в пределах объема материала, малого по сравнению с объемом всего элемента конструкции.
Вопрос о допустимости применения модели сплошной среды для конкретного конструкционного материала решается на основании экспериментальных исследований. Проведенные опыты с образцами металлов и других конструкционных материалов показали, что применение модели сплошной однородной среды вполне оправданно. Инженерные модели материала широко применяются в задачах прочностной надежности в сочетании с системой экспериментальных исследований.
