Николаев О.С. Прочность металлов:
Новые методы определения. Изд. 2

Оглавление

Предисловие

Вся история человечества связана с изготовлением орудий для занятия охотой и орудий для обработки земли. Например, сначала охотники вооружались палками, затем научились изготавливать костяные ножи и наконечники копии, затем перешли к каменным ножам и наконечникам и наконец стали для этих целей применять металлы. Появились медные, бронзовые и железные изделия. Все замены преследовали цель – повысить прочность и долговечность этих изделий. Немаловажную роль играли способы обработки металла. Если кость и камень можно было обрабатывать только в холодном состоянии, то металлы и их сплавы легче было обработать в горячем состоянии. Появилась новая профессия – кузнец. Он был нужен и земледельцу, и охотнику, и воину.

Металлы обладают самыми разнообразными свойствами. Однако, в первую очередь были замечены их прочностные свойства. При этом различалась прочность к постоянным нагрузкам и ударная прочность. Прочность – это сопротивление металла разрушению. Разрушение – это нарушение целостности металла.

Настоящая работа посвящена определению механической прочности технически чистых металлов различными способами, как известными, так и новыми.

Когда мы говорим о прочности металлов, необходимо называть и критерий потери прочности. Например, если говорить о возможном критерии потери прочности проволоки при деформации растяжения, то он очевиден. Это разрыв проволоки на части. Это наглядное нарушение целостности. Другое дело – деформация сжатия. Очевидного критерия нет. Поэтому отошли от требования "потери целостности". Оно не является обязательным теоретическим, а практически и вредно. Ведь, чтобы избежать аварии любой машины или приспособления ее деталям не обязательно работать до потери целостности. Для этого достаточно того, что деталь изменяет свои размеры (деформируется) только до определенной, устанавливаемой заранее величины. Эта величина устанавливается в технической документации. Далее деталь необходимо заменить новой, избежав гибели всей машины или устройства. Этот новый критерий называется условным отказом. Понятие "условного отказа" более верно служит, практическим целям эксплуатации любой машины. Условный отказ – это достижение упругой или пластической деформации заранее определенной величины (см. приложение 1).

В открытой литературе нет книги посвященной только вопросам оценки прочности твердых и жидких металлов. Такие оценки имеются для твердых металлов, но они разбросаны по разным первоисточникам.

Например, внутреннее давление в металлах определяется в работе Кузьменко П.П. [18]. Метод стягивающего давления кристаллической решетки описан в работе Вонсовского М.И. [19]. Основополагающая работа о кинетической природе твердых тел опубликована Регелем Н.Р., Слуцкером А.Н. и Томашевским Э.Е. в [20]. Имеется объективная необходимость собрать их в одной книге.

Кроме этого, установившаяся традиционная схема преподавания физики твердого тела в ВУЗах неадекватна к вопросу освещения механической прочности.

Ясно, что в общих учебниках по физике для некоторых ВУЗов вопросы прочности опускаются по причине нехватки учебного времени. Но чем объяснить их пропуск в учебниках для технических ВУЗов, например, в совершенно новом учебнике по физике под редакцией проф. В.Н.Лозовского [22]. Такой солидный учебник физики в пяти томах, как учебник Савельева И.В. [21], почитателем которого является и автор этих строк, не приводит никаких теоретических способов определения механической прочности твердых тел. Объем же знаний сообщаемый в учебнике дает возможность легко это сделать.

К сожалению в числе учебников обошедших вниманием такое важное свойство твердых тел, как механическая прочность, приходится назвать учебник по физике твердого тела под ред. доктора физ.-мат. наук И.К.Верещагина [24], а так же последнее издание замечательного по уровню и стилю изложения учебника по ФТТ для физиков Павлова П.В. и Хохлова А.Ф. [25]. Авторы последнего на высоком научном уровне представили рассмотрение механических свойств твердых тел на основе закона Гука, дали эмпирическое соотношение между теоретической прочностью и модулем Юнга, объяснили низкие экспериментальные значения так, как это было предложено А.Гриффитсом. Конкретных примеров теоретических оценок прочности твердого тела (металла) не приведено. Само же название учебника и его предназначение для студентов физиков, избравших эту область в качестве своей специальности, логически требовало рассмотрения этого вопроса.

Наиболее информативным изданием в этой области оказалась монография Н.Н.Новикова [26]. Она оказалась удачно уравновешенной в плане освещения теории и практики производства оценок прочности.

Учитывая сказанное выше, основные цели настоящей работы сводились к следующим.

1. Собрать основные известные теоретические способы оценок прочности металлов.

2. Считая прочность физическим свойством присущим и твердому и жидкому состояниям, определить ее значения для этих состояний.

3. Ограничить номенклатуру твердых тел рассмотрением только чистых металлов.

4. Обобщить параметры внешних воздействий и собственных свойств металлов от которых зависит их прочность.

5. Найти способ оценки прочности жидких металлов.

6. Предложить новые способы оценок прочности чистых металлов.

7. Произвести расчет механических свойств изолированных атомов металлов.

8. Сравнить теоретическую прочность металла и начальную (по внешней электронной оболочке) прочность изолированного атома этого же металла.

В работе сделана попытка собрать и систематизировать материал, накопленный в учебной и научной литературе по оценкам прочности металлов в твердом состоянии. В связи с тем, что затрагиваемые проблемы прочности металлов сложны, а методы расчетов не отработаны, возникают большие погрешности в результатах. Дополнительные погрешности вносятся в тех случаях, когда метод требует в качестве исходных данных такие параметры, численные значения которые отсутствуют в справочной литературе. Их вычисление по приближенным равенствам вносит дополнительные существенные погрешности в окончательный результат. Сказанное относится, например, к методу определения прочности по энергии сублимации.

Поэтому, в некоторых случаях, численные значения расчетных параметров, представленных в работе, являются не расчетными, а оценочными. Однако, несмотря на это, настоящая работа имеет практическую направленность. В каждой главе читатель может найти для себя новую информацию.

В главе первой рассматриваются свойства металлов в твердом и жидком состояниях, основные типы кристаллических решеток, вычисляются энергия Ферми и ширина дозволенных значений энергий электронов для некоторых металлов. Особое внимание уделено методам вычисления радиусов атомов. Среди них метод, позволивший с наименьшей погрешностью определить радиусы атомов металлов седьмого периода таблицы Д.И.Менделеева.

В главе второй перечисляются основные виды воздействий на металлы, в результате которых изменяется прочность. Среди них высокие и низкие температуры, всестороннее (гидравлическое) давление, повышение степени очистки от примесей (чистота металлов), степень совершенства строения металла, повышенные скорости деформации, вид и период радиоактивности, изменение макроскопических свойств металлов при переходе к малым количествам (йокто и зептокилограммам  10^-21: 10^-24 кг) или ММК.

В главе третьей кратко рассматриваются известные способы теоретических оценок прочности металлов, которые встречаются в научной литературе. Некоторые из них описываются в самых общих чертах.

В главе четвертой приведены новые методы определения технической прочности металлов: тепловой, деформационный, тепломеханический. В приложении 8 описан метод определения прочности по теплоте испарения.

В главе пятой описываются прочностные свойства жидких металлов. Рассматриваются тепловой способ определения прочности жидких металлов и способ разрыва двух смачиваемых пластин. Вычисляется удельная прочность жидких металлов.

В главе шестой определяются некоторые параметры минимальных монокристаллов (ММК) металлов. Вычисляются их массы, геометрические размеры, теплота нагрева до температуры плавления и теплота плавления, производится оценка прочностных свойств.

В главе седьмой обсуждаются механические свойства изолированных атомов металлов. Строится механическая модель атома. Для внешней электронной оболочки атомов определяются прочность на сжатие, сжимаемость и модуль объемной упругости. Рассматривается метод определения предельной прочности атомов металлов на сжатие.

В главе восьмой по полученным результатам строится шкала прочностей для таких материальных объектов как изолированный атом металла, металл, ММК металла.

Книга снабжена приложениями.

Одни являются напоминанием того материала, что читателю когда-то сообщали в спецкурсах при обучении в ВУЗе (Приложение 1), другие играют роль справочного материала (Приложения 2 и 3), третьи описывают подробно тот физический процесс, который в основном тексте только упомянут (приложение 5), некоторые расширяют материал основного текста (Приложения 8 и 9). Все они существенно дополняют информацию, сообщаемую в основном тексте.

В приложении 9 приведено экспериментальное определение минимальной прочности жидкого сплава олово-свинец на растяжение Р_o.

Автор выражает благодарность зав. кафедрой общей физики технологического института Восточноукраинского университета имени В.Даля к.т.н. доценту Иванову А.Н. за разрешение поставить эксперимент и ассистенту кафедры Холодняку В.Н. за оказание практической помощи.

При написании работы использовалась справочная литература. Назовем некоторые наиболее часто использованные издания. Это, в первую очередь, справочник в двух книгах под общей редакцией профессора, доктора технических наук М.Е.Дрица [6], справочник Зиновьева В.Е. [5], справочник под редакцией академика И.К.Кикоина [9], справочник под редакцией И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова [10], справочник Бобылева А.В. [13]. Использовалась и другая научная и учебная литература, перечисленная в конце настоящей работы.

Об авторе

Николаев Олег Семенович

Физик, окончил Харьковский госуниверситет. Преподавал физику в средней школе, на подготовительных курсах и в Университете имени В. Даля. Длительное время работал в должности старшего научного сотрудника НИИ управляющих вычислительных машин. Занимался исследованиями физических свойств и режимами применения новых полупроводниковых приборов и интегральных схем в изделиях вычислительной техники. Несколько лет проработал начальником лаборатории физико-химических исследований в НПК «ТЕМП». Организовал измерения электрических параметров и исследование оптимальных режимов поляризации пьезокерамических элементов различных типов. Является автором около 30 печатных работ, среди них 13 монографий, в том числе по физике прочности чистых металлов.