8.5. О новых материалах

Естественно, что при поиске новых материалов исследователи обращают главное внимание на показатели прочности. Вернемся к § 1.8, где был приведен упрощенный расчет предельной, или идеальной прочности. Это прочность, определяемая силами молекулярного сцепления, свойственного данному материалу, когда все молекулярные связи воспринимают нагрузку в максимальной степени.

Предельная прочность, выраженная в напряжениях, как уже было выяснено, составляет, грубо говоря, одну десятую от модуля упругости (где больше, где меньше, в зависимости от характера химических связей и структурных особенностей материала).

В принципе о существовании предельной прочности материалов физикам было известно очень давно. Но только в 1920 г. инженер Гриффитс сделал попытку - причем успешную - практически приблизиться к предельной прочности. И в качестве модельного материала он избрал стекло.

Надо сказать, что стекло в домашнем обиходе своей необычайной хрупкостью уже настолько себя скомпрометировало, что только усилием воли можно заставить себя смотреть на него как на полезный конструкционный материал даже сейчас, когда мы знаем, как много высокопрочных конструкций создано на базе стекловолокна.

Стекло при испытании на растяжение покалывает обычно значение Но если вытягивать из него на горелке все более и более тонкие образцы, то обнаруживается характерная зависимость: по мере уменьшения диаметра образца временное сопротивление начинает возрастать; сначала незаметно, а затем, по мере дальнейшего утончения уже не прутка, а нити, все быстрее и быстрее. Так у Гриффитса и шдучилрсь. У нитей диаметром 2,5 мкм уже составило Это - если испытать нить сразу после изготовления. Если же повременить, то временное сопротивление снижается до Нити, более тонкие чем 2,5 мкм, Гриффитс изготовить не смог. В то время нельзя было бы точно определить и их диаметр. Но, экстраполируя зависимость временного сопротивления в область малых диаметров, Гриффитс пришел к выводу, что, судя по ходу кривой, есть надежда для очень тонких нитей получить около в то время как расчетная предельная прочность стекла составляет примерно

В основе хрупкого разрушения, как мы уже знаем, лежит соотношение между напряжением и размером трещины (см. выражение (8.12)). В крупных образцах статистически преобладают соответственно и более крупные трещины; в тонких нитях им попросту нет места. Появись там такая трещина, и не существует нити. Даже просто выбирая из множества образцов более тонкую нить, мы тем самым вместе с исключаемыми более крупными образцами исключаем и более крупные трещины, и этой непреднамеренной селекцией обеспечиваем более тонким нитям более высокую прочность.

Хочется добавить, что употребленное выше слово “выбирая” не следует понимать как “перебирая” и, тем более, “перекладывая”. Надо иметь в виду, что даже лишь прикасаясь пальцами к заготовленной нити, мы можем резко снизить ее прочность. Невидимая острая пылинка минерального происхождения, застрявшая в кожном покрове, способна нанести ей роковые поверхностные повреждения. С помощью электронного микроскопа уже фотографировали ветвистые царапины такого рода и возможность их возникновения не подвергается сомнениям.

Есть еще одна причина образования микротрещин в стеклянных нитях. Стекло не имеет кристаллической структуры, но некоторую склонность кристаллизоваться в твердом состоянии все же сохраняет. И порой эта склонность может себя нет-нет да и проявить. Начало же всякой кристаллизации связано с местным изменением объема. Возникает микротрещина, что и проявляется в том, что выдержка нити снижает ее прочность так же, как и неизбежное соприкосновение с соседними нитями или с окружающими предметами.

За последние десятилетия было выполнено много работ в попытках приблизиться к предельной прочности; и не только со стеклом, но и со многими другими материалами, в том числе и с металлами. Вытягивали из расплава нити, выращивали идеальные нитевидные кристаллы, были созданы приборы для испытания на прочность микрообразцов длиной менее миллиметра. Возможность приближения к предельной прочности подтверждалась, волновала и вселяла радужные надежды. Но по мере накопления знаний, как всегда, начинали брать верх реалистические соображения.

Наверное, нам нужна не только прочность, но и надежность, которая находит свое выражение в достаточной вязкости материала, а может, и еще в каких-то пока не названных качествах.

И еще один вопрос. Если предельная прочность для основных конструкционных материалов количественно составляет примерно десятую часть модуля упругости, то это значит, что в эксплуатационных условиях все конструкционные материалы будут иметь деформации, приближающиеся к 10 %. Как видим, повышая максимально прочность, мы весьма заметно теряем в жесткости. Сможет ли, например, легкий и весьма прочный коленчатый вал двигателя нормально работать, если возникающие в нем деформации измеряются несколькими процентами.

Таким образом, для практических целей важна не только предельная прочность. Есть еще ряд механических характеристик, как самостоятельных, так и связанных с прочностью. И их необходимо принимать во внимание.

Сейчас в практику машиностроения внедрено много высококачественных и прочных металлов и металлических сплавов. Но все металлы без исключения обладают одной характерной и вместе с тем неприятной особенностью. С повышением прочности их вязкость, как правило, падает. Оно и понятно. Упрочняя материал путем легирующих добавок или термообработкой, мы в той или иной мере ограничиваем дислокационные перемещения, а они то как раз и придают материалу вязкость, способствуют рассеянию энергии на фронте трещины. Значит, следует попытаться найти или искусственно создать еще какие-то формы рассеяния энергии, препятствующие распространению трещин.

Находкой нашего века явилось создание микронеоднородных структур - композитов, где развитию трещин поставлен заслон в виде высокопрочных волокон. Матрица прочно связана с нитями, и развивающаяся трещина не может их обойти и не может продвинуться дальше, не разрушив их. Это все равно, что попробовать расколоть полено, предварительно вбив в него поперек хотя бы несколько гвоздей. Таким образом, обнаруживается путь повышения вязкости при высокой прочности. Но значение композитов не только в этом.

Чрезвычайно важно, что композиты заставили по-новому осмыслить наше отношение ко многим материалам, казавшимся прежде ни к чему не пригодными из-за своей хрупкости. И наглядным примером тому является, прежде всего, то же самое стекло, о котором мы только что говорили. Следом за стеклом пошли в дело и высокопрочные, но чрезвычайно хрупкие минералы, лежащие буквально у нас под ногами. Конечно, с ними необходимо было поработать.

Чтобы представить потенциальные возможности различных веществ, составляющих композиционные структуры, нет необходимости вчитываться в подробнейшие справочные таблицы, где приводится множество механических характеристик. Достаточно выделить главные. А главным в данном случае для каждого вещества является его модуль упругости. От него зависит и жесткость, и предельная прочность. Необходимы еще такие характеристики, как температура плавления и плотность. В то же время нет нужды особо фиксировать

свое внимание на реальном пределе прочности. Он изменяется в широких пределах в зависимости от фазового состава и методов технологической обработки.

В табл. 8.1 приведены перечисленные характеристики для трех групп конструкционных материалов. Первые две - металлы и полимеры. Третью группу образуют неорганические и неметаллические вещества, для обобщения часто называемые керамикой. С последней их роднит минеральное происхождение и высокая температура обработки. В последнем столбце таблицы приведена относительная жесткость, т. е. отношение модуля упругости к плотности вещест наглядности удельная жесткость каждого вещества отнесена к удельной жесткости железа.

Относительная жесткость металлов, как видим, изменяется в достаточно узком интервале. Исключение составляет ниобий. Он имеет очень низкую удельную жесткость. В обратную сторону резко выделяется бериллий, и к нему в последнее время приковано серьезное внимание в авиационной и ракетно-космической технике. Есть надежда, что прочность нитей бериллия можно будет поднять переводом в аморфное состояние. И все было бы хорошо, но беда заключается в токсичности бериллия, и это заставляет принимать специальные меры безопасности в цехах по его обработки. Пока неизвестно, что возьмет верх - преимущества или недостатки.

Полимеры делят на две подгруппы: аморфные - эпоксидные смолы и оргстекло, и не столь широко известные кристаллические полимеры. Первые используются в качестве связующего. Кристаллические же полимеры имеют высокую удельную жесткость и прочность, что позволяет создавать на их основе специальное органоволокно.

И, наконец, третью группу образуют неорганические и неметаллические вещества. Высокая удельная жесткость, жаростойкость, неокисляемость оксидов (им больше некуда окисляться), твердость и дешевизна дают право надеяться на широкое применение этих материалов. Громкие названия “сапфир”, “гранат” не должны тревожить наше воображение. Это - очень распространенные на Земле минералы, недефицитные

(кликните для просмотра скана)

и дешевые. Что же касается бороволокна и углеволокна, то они уже давно внедрены в практику.

Теперь естественным будет вопрос, какие же пары (или тройки) перечисленных веществ следует объединять в композиты. Вопрос резонный, а главное, естественно вытекающий из исторически сложившихся представлений о производственном процессе. Но ответить на него непросто.

Композит - это не совсем материал. Это - часть конструкции, выполняющая функции материала и отвечающая на вопрос: “Из чего сделано?” Композит заставляет пересмотреть наше отношение не только к веществам, но и к производственному процессу в целом.

Из названных в табл. 8.1 веществ не представляет особого труда изготовить множество самых разнообразных образцов композитов - прутков, плоских монослоев или трубок. Можно, например, сделать образец молибдена с сапфировыми нитями, хотя молибден и более тугоплавок, чем сапфир. Такие образцы можно испытывать, определять их модули упругости и предел прочности. Существует специальная литература по вопросам испытания композитных образцов, по приближенным и уточненным способам расчетного определения прочности и жесткости композитов по характеристикам составляющих.

Но в том-то и дело, что создать образцы композита и изготовить из композита деталь машины - далеко не одно и то же. Композит нельзя изготовить заранее. Его готовят вместе с деталью и, создавая его, образуют деталь. Поэтому на вопрос, какие же комбинации из упомянутых веществ следует предпочесть, ответ может быть только один: такие, которые позволяют изготовить эту деталь и к тому же могут обеспечить ее высокое качество. Вопрос слишком общий, чтобы можно было дать на него определенный ответ. Все зависит от способа изготовления (если он существует), особенностей детали, условий производства.

Композиты открывают перед инженером окно в новый мир, где нельзя быть только материаловедом или только механиком. Для композитов нужен широкий кругозор механика, материаловеда, физика и технолога.