A törékeny és viszkózus anyagok közötti különbség
Az anyagtudományban különbség van a törékeny és viszkózus anyagok között. Egy gondatlan hallgató válaszából:
az első törékeny, az utóbbiak viszkózusak.
Törékeny anyagok
A mindennapi életben gyakran találkozunk törékeny anyagokkal. Elég, ha egy kis simítót használnak, hogy megtörjék a téglát. Elég, ha megérinti az asztal szélén álló kristályvázát, és a következmények sajnálhatják. Elég, ha egy futball találkozik egy szomszéd ablakával - és a fagylalt munkával látják el. Mindezek az anyagok törékenységének következményei.
Viszkózus anyagok
A viszkózus anyagok esetében az ilyen műveletek teljesen biztonságosak. A viszkózus anyagok megsemmisítése általában a műanyag deformációjához kötődik, és a törékeny törések szinte teljesen elpusztulnak. De mindent kifelé. Egy kicsit mélyebb megértéséhez tegyünk egy példát.
A törékeny és viszkózus anyagok megsemmisítésének energiája
Két különböző, különböző anyagból készült minta van, egy pedig kerámiával. a másik pedig alumíniumból készül. Ismeretes, hogy ezeknek az anyagoknak az ereje ugyanaz. Tenned kell ugyanazt a munkát, ha megsemmisíted a mintákat?
Nyilvánvalóan más. Az erőt ugyanúgy kell alkalmazni. De mivel a pusztítás a kerámia anyag deformációja igen kicsi, kevés mozgás, amelyen az erő, ami azt jelenti, hogy kis munka, hiszen szorzat elmozdulás és az erő.
Az alumínium, mielőtt összeomlik, kiterjeszti, nagymértékben növeli annak hosszát, így a romboló erő sokkal nagyobb úton halad, mint az előző esetben, és a munka sokszor nagyobb.
A viszkózus és a törékeny anyagok közötti mélyebb megkülönböztetés az energia nagysága. a pusztításukra fordították. Sűrűbb, mint a törékenyeknél.
Ha szükséges, hogy a szerkezet megbízhatóan működjön, tartós anyagot kell készíteni. Ez a megállapítás olyan természetes, hogy ésszerűtlen kétségbe vonni az igazságát.
A valódi anyagok mindig tartalmaznak különböző hibákat - a diszlokációk, pórusok, mikro- és makró repedések torlódása. Ha a minta deformálódik, akkor rugalmas energia halmozódik fel benne.
Az anyag mindig arra törekszik, hogy megszabaduljon a felesleges energiától. Hogy teheti ezt? Nagyon egyszerű - összeomlik. Ezután a feszültségek nem befolyásolják, következésképp egy kisebb energia tartalékkal rendelkező államba kerül. Ebben az esetben teljes energiája nagyobb lesz, mint a kezdeti (üres) állapotban, mivel két részre osztva két új felületet szerez, amelyek mentén megsemmisültek. Az ezen a felületeken lévő atomok felesleges energiát (felszíni energiát) neveznek. De még ez is szem előtt tartva, a megsemmisített minta teljes energiája kisebb, mint a betöltött darabé, a megsemmisítés előtt.
A különböző törésállóságú törékeny és viszkózus anyagok közötti különbség
Az anyag csak összeomlás következtében repedések terjedése okozhatja. Az egyes repedések növekedése során felszabadul a körülötte felhalmozódott energia. Az energia megőrzésének törvénye szerint azt más energiává kell átalakítani. Melyik?
Erre a kérdésre A. Griffiths egyértelmű választ adott: a törékeny anyagokban - az újonnan kialakult repedési felületek energiájában. Ezért alkalmazta az energia megőrzésének törvényét a megsemmisítés folyamatára.
Ha a törékeny anyag rugalmas deformációs energiája meghaladja a két új felület létrehozásához szükséges energiát, a repedés spontán növekedni kezd, és az anyag összeomlik. A töréshez szükséges energia mennyisége, amely a keresztmetszeti területre vonatkozik, meghatározza a törésszilárdságot vagy a törési szívósságot.
Következésképpen: a törékeny és viszkózus anyagok közötti különbség - a fő repedések terjedésével szemben eltérő ellenállásban. A törékeny - repedések szabadság, azok promóciós szüksége van egy kis energiát, hanem egy viszkózus fő repedés süllyedő, nehéz mozgatni őket, mert a legtöbb energiát fordított a képlékeny alakváltozás. És a repedés elterjedésével járó új felületek kialakulására, ez nem elég.
A műanyag deformáció egyfajta szelepként szolgál, amely felszabadítja a veszélyes felesleges rugalmasságot. És nincs ilyen szelep a törékeny anyagokban. Ugyanakkor figyelembe kell venni a repedések repedésképességét is, mivel a kiömlőszelep korlátozott kapacitással rendelkezik, és egy bizonyos időponttól kezdve nem képes megbirkózni funkcióival. Ezután a repedések egy viszkózus anyagban katasztrofálisan nőnek. De a fő veszély a törékeny anyagokra. Hogyan kezeljük őket?
Első pillantásra a probléma sikeres megoldásának esélyei nem nagyok. Az anyag természetét nem lehet megváltoztatni. Ha törékeny - olyan törékeny. De nem korlátozzuk magunkat az első pillantásra. Amint azt mondják, az első pillantásra a legjobb szerelmi szeretet az, hogy újra megnézzük. Nézzünk egy kicsit mélyebbre. Ha a természet nem tervez akadályokat a törékeny anyagok repedésekben, akkor létre kell hoznunk őket. Hogyan? Itt az ideje, hogy a kompozitokhoz forduljon.
A törékeny anyagok összetétele
Ha az összetett két törékeny anyagból áll. akkor nem lesz műanyag. De viszkózus lehet. Ez azt jelenti, hogy a műanyag deformáció nem jelenik meg benne, de lehetséges, hogy más módon fékezzék a fő repedések terjedését.
A törékeny anyagok repedései
Mielőtt meghatározná ezt az utat - néhány szót a törékeny anyagok repedésének szokásairól. Az ellenség legyőzéséhez jól ismernie kell. A repedések viselkedésének vizsgálata a szakítószilárdság hatására lehetővé tette egy érdekes tulajdonság feltárását.
A repedés keresztmetszetében fellépő hangsúlyok hajlamosak a repedésre, ami miatt növekszik. Ezeknek a feszültségeknek a legnagyobb értéke közvetlenül a repedés csúcsán van, és gyorsan csökken a távolságtól.
A repedés csúcsa közelében fellépő feszültségek mellett húzási feszültségeket is előállítanak, amelyek vízszintesen vannak irányítva. A repedés legmagasabb pontján gyakorlatilag hiányoznak, de kissé előre, az el nem pusztított anyagban, nagyon érzékelhetővé válnak - nagyságuk eléri a működési igények 20% -át. Ezt J. Gordon és J. Cook angol tudósok számolták. A feszültségeloszlás egyik jellemzője a repedés körül, és felhasználható a kompozitokban történő leküzdésére.
A kompozitok és a közönséges anyagok közötti különbség
A kompozitok és a hagyományos anyagok közötti egyik fő különbség az, hogy nagy számú belső interfészt tartalmaznak. A megerősített kompozitokban - ez a felület a szálak és a mátrix között, a rétegezett - a rétegek közötti felületen. A határok ereje szabályozható, a technológusok ereje.
Gondold meg, mi történik, ha a felszínről egy repedés elkezd propagálni a kompozitban. Például üvegszálas epoxi gyantát, üvegszállal megerősített.
Mind a gyanta, mind az üveg törékeny anyagok önmagukban. Az üvegszálas - viszkózus, vagyis magas repedésállóságú. Mert amikor a gyantában elkezdett repedés elkezd nőni, elkerülhetetlenül megkerülhetetlen az interfész. Ha a gyanta ragasztási szilárdsága az üveghez kisebb, mint a feszültség értéke, akkor a kompozit részleges delaminációja megtörténik. Az energiát a köteg kialakításánál használják, ami azt jelenti, hogy a fő fő repedésből veszik el.
Amikor a legveszélyesebb feszültségek működési pontja megközelíti a határt, a repedés a csapdába esik - a kötegbe. Ezeknek a repedéseknek a kombinációja megegyezik a fő repedés kerekítésével. Ez azt jelenti, hogy a feszültség koncentrációja a crack csúcsa közelében csökken.
A repedéscsúcshoz közeli feszültségek sokszor nagyobbak, mint a külső húzófeszültség. A csúcsterületen a repedések koncentrálódnak, és ez a koncentráció nagyobb, annál nagyobb a repedés hossza és a csúcsa sugara, vagyis az élesebb repedés.
A stresszkoncentráció az a mechanizmus, amely lehetővé teszi a Griffith energiakritériumának megfelelően a dimenziók megnövelésére irányuló repedési hajlamot. Olyan ez, mint egy kocsi kereke, amely a hegy tetején áll. Az a vágy, hogy a kocsiban lefelé mozogjunk, de csak kerekekkel jelenhet meg. Kerekek nélkül a kocsi nem fog menni, és a repedés nem fog növekedni anélkül, hogy a stressz koncentrációja csúcspontja lenne.
A csúcs éles ütődése a feszültség koncentrációjának csökkenéséhez és a repedés terjedésének fő mechanizmusához, és ennek következtében annak megállításához vezet. A repedés további mozgatásához meg kell növelni a feszültséget. Ismét a fő repedés útján akadályok merülnek fel az interfészek formájában, amelyek energiát rónak rá, hogy kevésbé veszélyes longitudinális rétegződéseket képezzenek.
És egy keresztirányú repedés helyett, amely könnyen elpusztíthatja az anyagot, sok kis hosszanti repedés keletkezik, ami persze nem nagyon ékesítené az anyagot, de lehetővé teszi hosszú ideig működőképességét.
A két törékeny komponensből álló összetétel viszkozitása érdekében a mátrix és a szálak közötti kötésnek egy határozott (optimális) erősségre van szüksége. Ha ez optimálisabb, a repedés nem veszi figyelembe a felületet és tovább halad, megsemmisítve az összes szálat, mátrixot és anyagot általában.
Ha a kapcsolat túl gyenge, a kötegek nagyon nagyok lehetnek, és a kompozit egészének lágyulását eredményezhetik. És ha az összetevők közötti kapcsolat optimális, akkor a törékeny komponensek összetétele viszkózus lesz, mivel a pusztításához nagy energiafelhasználás szükséges.
Tehát a kompozitokban a képlet megvalósul friability + brittleness = viszkozitás. Kiderül, hogy az anyagot tartósabbá kell tenni (gyengíti a felületet) annak érdekében, hogy megnyerje a viszkozitást, és ezáltal a megbízhatóságot.
Mint Felix Krivin egyik hősének mondott:
... mindenki keresi, hol van a legjobb, és amikor mindenki keresi, hol van jobb, rosszabb lesz. Hogy hol találja meg, hol kell keresnünk, hol van még rosszabb.
A kompozitokban a legrosszabb az interfészeken - általában a leggyengébb helyeken. Kiderül, hogy ezek a gyengeségek az erõ szükséges feltételei.
A kompozitokban lévő energiát a repedésektől eltérő módon lehet kiválasztani.
Képzeljünk el egy törékeny mátrixot, melyet törékeny, rövid erősítő szálakkal megerősítettek. Például kerámiákkal kikeményített kerámiák. Növelje meg az ilyen anyagok viszkozitását úgy, hogy a szálakat a mátrixból húzza. Az optimális kötési szilárdság és a szálhosszúság nyújtásához szükséges energiaköltségek jelentősen meghaladják az egyes komponensek megsemmisítésének munkáját.
Módszerek az anyagok viszkozitásának növelésére
Egy jól megtervezett kompozitban az energiát fel kell használni mind a szálak rajzolásához, mind a rétegződéshez. Itt a repedés szálakra merőleges. Tetejéhez közel a összeomlása a felület és jelennek meg a kis eltolódások a mátrix szálak, és a legtöbb repedés bekövetkezik intenzív stretching a szálak a mátrix kíséretében energiaveszteséget, a súrlódás következtében. Az ilyen kompozit viszkózus lesz, még akkor is, ha a rostok és a mátrix törékeny.
Az anyagok viszkozitásának növelésére is egyszerűbb módszerek léteznek. például a viszkózus szálakkal szembeni törékeny mátrixerősítés vagy a váltakozó, nagy szilárdságú törékeny és kevésbé tartós viszkózus rétegekből álló réteges rendszerek létrehozása.
Például, berillium nagyon vonzott a tudósok és mérnökök egyedülálló kombinációja alacsony sűrűségű (1800 kg / m3), és nagy rugalmassági modulusú (290 GN / m 2), de használata, mint egy szerkezeti anyag miatt nehéz a nagyon magas morzsalékonyság. De a rugalmas torta szerkezete, amely a váltakozó berillium és alumínium rétegekből áll, elfogadható viszkozitást mutat.
Ellentétben a tiszta berillium, összeomló a teljes keresztmetszetében, ebben a „torta” rétegeket elpusztult fokozatosan, az egyik a másik után, repedésterjedéssel könnyen lehetséges, hogy ellenőrizzék - az átmenet során a berillium réteg alumínium tip repedés tompa végűvé képlékeny deformáció révén az alumínium, ami fogyaszt nagy energiájának egy részét. Ez elkerülhetetlenül a fékezést, vagy akár megállítja a repedést.
Hasonlóképpen összetett szerkezetek is készíthetők: nagy szilárdságú acél - réz, kerámia - lágy fém, polimer - fém, kemény acél - enyhe acél stb.
1. Eljárás egy anyag törékenységének szabályozására
Van még egy módja annak, hogy kezeljük az anyag törékenységét. A törékeny és viszkózus anyag közötti különbség az, hogy a törékeny anyag fél a szakítószilárdságtól, amely repedésnyitást okoz. És a préselési igények nem veszélyesek, éppen ellenkezőleg, hozzájárulnak a repedések megrepedéséhez, és ezáltal növelik a viszkozitást. Ahhoz, hogy hozzon létre egy összetett két komponens lehet választani, az egyik törékeny, a másik - a viszkózus, és a lineáris hőtágulási együtthatója a rideg komponens kell lennie kevésbé viszkózus, mint, például a törékeny kerámia erősítésű fémhuzalok.
Az ilyen anyagok megszerzésének utolsó szakasza általában hőkezelést (szinterelést, kalcinálást, lágyítást stb.) Jelent, amely magas hőmérsékletű fűtést igényel. Ha lehűlt, a fémhuzalok rövidebbek lesznek, mint a kerámia, mivel hőtágulási együtthatójuk nagyobb. Ugyanakkor tömörítik a kerámia mátrixot, és maguk a húzófeszültségek hatása alatt vannak. De mivel a szálak viszkózusak, ezek a feszültségek nem jelentenek nagy veszélyt rájuk. De a tömör mátrixban lévő nyomófeszítések csökkentik a repedés növekedésének veszélyét, ami megnehezíti a külső feszültségek hatására történő megnyitását.
Még nagyobb hatás érhető el feszített kompozitok, például vasbeton alkalmazásával. A vasbeton acél rudakkal megerősített beton. Vedd rá a vasbeton betonozásával. De ha először húzza meg a rudakat, ebben az állapotban öntsön betont és hagyja fagyni, majd a rúd szakítóterhelésének eltávolítása után próbálja csökkenteni a hosszúságukat, majd összenyomják a betont. Az ilyen vasbeton jobban működik a nyújtásnál, mint a normális. A repedést, amely a törékeny betonba esik, gátolja a benne rejlő nyomóerő.
A törékeny és viszkózus anyagok keverékének használata a kompozitokban nemcsak a szerkezetek szilárdságát és merevségét, hanem viszkozitását is növeli.