Прочность

твёрдых тел, в широком смысле — свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению.

В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (температура, время действия нагрузки и др.) в технике приняты различные меры П. (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.). Разрушение твёрдого тела — сложный процесс, зависящий от перечисленных и многих др. факторов, поэтому технические меры П. — условные величины и не могут считаться исчерпывающими характеристиками.

Физическая природа прочности. П. твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами и ионами, составляющими тело. Эти силы зависят главным образом от взаимного расположения атомов. Например, сила взаимодействия двух соседних атомов (если пренебречь влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояний между ними (рис. 1). При равновесном расстоянии r_o Прочность 10 нм эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются, при больших — притягиваются. На критическом расстоянии r_k сила притяжения по абсолютной величине максимальна и равна F_т. Например, если при растяжении цилиндрического стержня с поперечным сечением S_o действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внешняя сила превосходит максимальную силу притяжения F_т, то последние беспрепятственно удаляются друг от друга. Однако, чтобы тело разрушилось вдоль некоторой поверхности, необходимо, чтобы все пары атомов, расположенные по обе стороны от рассматриваемой поверхности, испытывали силу, превосходящую F_т.Напряжение, отвечающее силе F_т, называется теоретической прочностью на разрыв σ_τ (σ_τ 0,1 Е, где Е — модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, которой соответствует напряжение σ = P*/S, в 100—1000 раз меньшее σ_τ. Расхождение теоретической П. с действительной объясняется неоднородностями структуры тела (границы зёрен в поликристаллическом материале, посторонние включения и др.), из-за которых нагрузка Р распределяется неравномерно по сечению тела.

Механизм разрушения. Зарождению микротрещин при напряжении ниже σ_τ способствуют термической Флуктуации. Если на участке поверхности S малых размеров (но значительно превышающем сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше σ_τ, вдоль этой площадки произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее r_k, на котором межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 2). Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит Концентрация напряжений, причём они тем больше, чем больше её размер. Если этот размер больше некоторого критического r_c, на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее σ_т, и трещина растет дальше по всему сечению тела с большой скоростью — наступает разрушение. r_cопределяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: r_c Еγ/ σ² (где γ— энергия единицы поверхности материала). Прежде чем возрастающее внешнее усилие достигнет необходимой для разрушения величины, отдельные группы атомов, особенно входящие в состав дефектов в кристаллах, обычно испытывают перестройки, при которых локальные напряжения уменьшаются («релаксируют»). В результате происходит необратимое изменение формы тела — пластическая деформация; ей также способствуют термической флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластическая деформация. Поэтому при оценке r_c в энергию γ должна быть включена работа пластической деформации γ^Р, которая обычно на несколько порядков больше истинной поверхностной энергии γ. Если пластическая деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме тела, то разрушение вязкое. Разрушение без заметных следов пластической деформации называется хрупким. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома, изучаемой фрактографией (См. Фрактография).В кристаллических телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографическим плоскостям спайности, вязкому — слияние микропустот (на фрактограммах выявляются в виде чашечек) и скольжение. При низкой температуре разрушение преимущественно хрупкое, при высокой — вязкое. температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению называется критической температурой хладноломкости.

Поскольку разрушение есть процесс зарождения и роста трещин, оно характеризуется скоростью или временем τ от момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала. Исследования многих кристаллических и аморфных тел показали, что в широком интервале температур Т (по абсолютной шкале) и напряжений σ, приложенных к образцу, долговечность τ при растяжении определяется соотношением

где τ₀ — приблизительно равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10^-12 сек), энергия U₀ близка к энергии сублимации (См. Сублимация) материала, активационный объём V составляет обычно несколько тысяч атомных объёмов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термической и механической обработки и во время нагружения, k=1,38 ․10^-16 эрг/град — постоянная Больцмана. При низких температурах долговечность очень резко падает с ростом напряжения, так что при любых важных для практики значениях τ существует почти постоянное предельное значение напряжения σ₀, выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение σ₀ можно считать пределом прочности (см. табл.).

Некоторые значения прочности на растяжение, σ₀ в кгс/мм² (1 кгс/мм²=10Мн/м²)

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Материалы         | σ₀  | σ₀/Е     |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Графит (нитевидный кристалл)    | 2400      | 0,024   |

| Сапфир (нитевидный кристалл)   | 1500      | 0,028   |

| Железо (нитевидный кристалл)           | 1300      | 0,044   |

| Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали        | 420        | 0,02     |

| Тянутая проволока из вольфрама       | 380        | 0,009   |

| Стекловолокно    | 360        | 0,035   |

| Мягкая сталь      | 60         | 0,003   |

| Нейлон       | 50         |    |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Время τ затрачивается на ожидание термофлуктуационного зарождения микротрещин и на их рост до критического размера r_c. Когда к образцу прикладывают напряжение σ, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластической деформации, возникают большие локальные напряжения (в кристаллах в голове заторможенных сдвигов — скоплений дислокаций (См. Дислокации)). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (например, в некоторых ориентированных полимерах до 10¹⁵ трещин в 1 см³). Однако при этом их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше r_c. Трещины не растут, и тело не разрушается, пока случайно, например благодаря последовательному слиянию близко расположенных соседних микротрещин, одна из них не дорастет до критического размера. Поэтому при создании прочных материалов следует заботиться не столько о том, чтобы трещины не зарождались, сколько о том, чтобы они не росли.

Случайное распределение структурных неоднородностей по объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термических флуктуаций приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. σ₀) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях σ и Т. Вероятность встретить в образце «слабое» место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. (разрушающее напряжение) малых образцов (например, тонких нитей) выше, чем больших из того же материала (т. н. масштабный эффект). Участки с повышенным напряжением, где легче зарождаются микротрещины, встречаются чаще у поверхности (выступы, царапины). Поэтому полировка поверхности и защитные покрытия повышают П. Напротив, в агрессивных средах П. понижена.

Меры повышения прочности. При создании высокопрочных материалов стремятся в первую очередь повысить сопротивление пластической деформации. В кристаллических телах это достигается либо за счёт снижения плотности дефектов (П. нитевидных кристаллов, лишённых подвижных дислокаций, достигает теоретической), либо за счёт предельно большой плотности дислокаций в мелкодисперсном материале. Второе требование — большое сопротивление разрушению — сводится к выбору материала с высокой теоретической П. σ_т= 0,1 Е. Создать материалы с модулем Юнга Е, превышающим максимальные встречающиеся в природе значения, можно искусственно, путем применения высоких давлений; однако в этом направлении делаются лишь первые шаги. Большие значения σ_т затрудняют зарождение микротрещин. Чтобы предотвратить их рост, материал должен быть достаточно пластичным. Тогда у вершины трещины необходимые для её роста высокие напряжения рассасываются за счёт пластической деформации. Сочетание высокой П. и пластичности достигается в сплавах термомеханической обработкой, в композитах — подбором материала волокон и матрицы, объёмной доли и размера волокон. Трещина, возникшая в прочной (обычно хрупкой) фазе сплава или в волокне композита, останавливается у границы с пластичной матрицей. Поэтому важной характеристикой высокопрочных материалов является сопротивление распространению трещины, или вязкость разрушения. При механическом измельчении материалов требуется пониженная П. Она достигается воздействием поверхностно-активных сред (органические вещества, вода).

Лит.: Разрушение, пер. с англ., под ред. А. Ю. Ишлинского, т. 1, М., 1973; Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1962; Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 2 изд., М., 1971; Механические свойства новых материалов, пер. с англ., под ред. Г. И. Баренблатта, М., 1966; Инденбом В. Л., Орлов А. Н., Проблема разрушения в физике прочности, «Проблемы прочности», 1970, № 12, с. 3; Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.

А. Н. Орлов.

Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.

Рис. 2. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направление растяжения; заштрихована область, в которой сняты напряжения.

1. про́чность;
2. про́чности;
3. про́чности;
4. про́чностей;
5. про́чности;
6. про́чностям;
7. про́чность;
8. про́чности;
9. про́чностью;
10. про́чностями;
11. про́чности;
12. про́чностях.

ПРО́ЧНЫЙ, -ая, -ое; -чен, -чна́, -чно, -чнШы и -чны.

-и, ж.

Свойство по знач. прил. прочный.

Прочность ткани. Прочность знаний.

□

[Андрей] подошел к стулу, осмотрел его, как бы убеждаясь в прочности, наконец сел. М. Горький, Мать.

Особенно оберегал он прочность советской семьи, хотя своей семьи уже давно не имел. Наседкин, Большая семья.

ПРО́ЧНОСТЬ, прочности, мн. нет, жен. отвлеч. сущ. к прочный. Прочность обуви.

|| Способность долго сохраняться, противостоять разрушению, порче. Обувь, обладающая прочностью.

ж.

отвлеч. сущ. по прил. прочный

ПРОЧНОСТЬ - способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок, в узком смысле - только сопротивление разрушению. Прочность твердых тел обусловлена в конечном счете силами взаимодействия между атомами и ионами, составляющими тело. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряженного состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.), от условий эксплуатации (температура, скорость нагружения, длительность и число циклов нагружения, воздействие окружающей среды и т. д.). В зависимости от всех этих факторов в технике приняты различные меры прочности: предел прочности, предел текучести, предел усталости и др. Повышение прочности материалов достигается термической и механической обработкой, введением легирующих добавок в сплавы, радиоактивным облучением, применением армированных и композиционных материалов.

Fracture strength — Прочность.

Нормальные напряжения в начале разрушения. Вычисленные из нагрузки в начале разрушения во время испытания на растяжение и начальной площади поперечного сечения образца.

ПРОЧНОСТЬ, способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы при действии внешних нагрузок. Обусловлена силами межатомного и межионного взаимодействий и зависит не только от самого материала, но и от вида напряженного состояния (сжатие, растяжение, изгиб и т.п.). Предел прочности достигает долей процента от модуля Юнга (смотри Гука закон) и может быть повышен за счет соответствующей обработки материала (смотри Пластичность).

способность конструкций и материалов длительное время сопротивляться внешним воздействиям без разрушения или значительных деформаций

(Болгарский язык; Български) — якост

(Чешский язык; Čeština) — pevnost

(Немецкий язык; Deutsch) — Festigkeit

(Венгерский язык; Magyar) — szilárdság

(Монгольский язык) — бат бэх

(Польский язык; Polska) — wytrzymałość

(Румынский язык; Român) — rezistenţă

(Сербско-хорватский язык; Српски језик; Hrvatski jezik) — čvrstoéa; otpornost

(Испанский язык; Español) — resistencia mecánica

(Английский язык; English) — strength

(Французский язык; Français) — résistance

Источник: Терминологический словарь по строительству на 12 языках

свойство материала оказывать в определенных условиях и пределах сопротивление разрушению от различных внешних физических воздействий, сопровождающихся возникновением в нем напряжений.

Источник: Справочник дорожных терминов

жен. durability, strength;
soundness, solidity коэффициент запаса прочности ≈ тех. assurance factorf. durability

fastness, resistance, stability, strength, toughness

f.strength, durability, solidity, stability; прочность на разрыв, tensile strength

прочность ж Haltbarkeit f, Dauerhaftigkeit f; Festigkeit f (крепость)

ж

Haltbarkeit f, Dauerhaftigkeit f; Festigkeit f(крепость)

ж.

solidité f; durabilité f; stabilité f (ср.прочный)

испытание на прочность — test m de résistance

ж.

solidez f, resistencia f; duración f(долговременность); estabilidad f(устойчивость)

испыта́ние на про́чность — prueba (test) de resistencia (de durabilidad)

ж.

solidità; resistenza(ткани, краски); robustezza, saldezza, durevolezza(долговечность)

прочность знаний — solidità delle cognizioni acquisite

прочность ткани — robustezza / resistenza della stoffa

испытание на прочность — prova di resistenza / sicurezza

ПРОЧНОСТЬ

твёрдых тел, в широком смысле — свойство тв. тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластич. деформации) под действием внеш. нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению.

В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (темп-ра, время действия нагрузки и др.) в технике приняты разл. меры П. (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.). Разрушение тв. тела — сложный процесс, зависящий от мн. факторов, поэтому величины, определяющие П., явл. условными.

Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.

Физическая природа прочности. П. тв. тел обусловлена в конечном счёте силами вз-ствия между атомами или ионами, составляющими тело. Напр., сила вз-ствия двух соседних атомов (если пренебречь влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояния между ними (рис. 1). При равновесном расстоянии r0=0,1 нм (1?) эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются, при больших — притягиваются. На критич. расстоянии rк сила притяжения по абс. величине максимальна и равна Fт. Напр., если при растяжении цилиндрич. стержня с поперечным сечением S0 действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внеш. сила превосходит макс. силу притяжения Fт, то атомы беспрепятственно удаляются друг от друга. Однако, чтобы тело разрушилось вдоль нек-рой поверхности, необходимо, чтобы все пары атомов, расположенные по обе стороны от рассматриваемой поверхности, испытывали силу, превосходящую Fт. Напряжение, отвечающее силе Fт, наз. теор. прочностью на разрыв sт (sт»0,1 Е, где Е — модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, к-рой соответствует напряжение s=P*/S, в 100—1000 раз меньше sт. Расхождение теор. П. с действительной объясняется неоднородностями структуры тела (границы зёрен в поликрист. материале, посторонние включения и др.), из-за к-рых нагрузка Р распределяется неравномерно по сечению тела.

Механизм разрушения. Если на участке поверхности S малых размеров (но значительно превышающем сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше sт, вдоль этой площадки произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее rк, на к-ром межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 2). Зарождению микротрещин при напряжении ниже sт способствуют термич. флуктуации. Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит концентрация напряжений, причём они тем больше, чем больше её размер. Если этот размер больше нек-рого критич. rс, на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее sт, и трещина растёт дальше по всему сечению тела с большой скоростью — наступает разрушение. rс определяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: rс»Еg/s2 (где g — энергия единицы поверхности материала).

Рис. 2. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направление растяжения, заштрихована область, в к-рой сняты напряжения.

Прежде чем возрастающее внеш. усилие достигнет необходимой для разрушения величины, отдельные группы атомов, особенно входящие в состав дефектов в кристаллах, обычно испытывают перестройки, при к-рых локальные напряжения уменьшаются («релаксируют»). В результате происходит необратимое изменение формы тела — пластич. деформация; ей также способствуют термич. флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластич. деформация. Поэтому при оценке rс в энергию g должна быть включена работа пластич. деформации gp, к-рая обычно на неск. порядков больше истинной поверхностной энергии g. Если пластич. деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме тела, то разрушение в я з к о е. Разрушение без заметных следов пластич. деформации наз. х р у п к и м. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома. В крист. телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографич. плоскостям спайности, вязкому — слияние микропустот и скольжение. При низкой темп-ре разрушение преим. хрупкое, при высокой — вязкое. Темп-ра перехода от вязкого к хрупкому разрушению наз. критич. темп-рой хладноломкости.

Поскольку разрушение есть процесс зарождения и роста трещин и пор, оно характеризуется скоростью или временем т от момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала. Исследования многих крист. и аморфных тел показали, что в широком интервале темп-р Т (по абс. шкале) и напряжений s, приложенных к образцу, долговечность при растяжении определяется соотношением:

где t0— прибл. равно периоду тепловых колебаний атомов в тв. теле (10-12с), энергия U0 близка к энергии сублимации материала, активац. объём V составляет обычно неск. тысяч ат. объёмов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термич. и механич. обработки и во время нагружения, k=l,38
• 10-16 эрг/град — постоянная Больцмана. При низких темп-рах долговечность очень резко падает с ростом напряжения, так что при любых важных для практики значениях т существует почти постоянное предельное значение напряжения s0, выше к-рого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение s0 можно считать п р е д е л о м п р о ч н о с т и (см. табл.).

НЕКОТОРЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ НА РАСТЯЖЕНИЕ, s0 в кгс/мм2 (1 кгс/мм2=10 МН/м2)

Время т затрачивается на ожидание термофлуктуац. зарождения микротрещин и на их рост до критич. размера rс. Когда к образцу прикладывают напряжение о, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластич. деформации, возникают большие локальные напряжения (напр., в кристаллах — в результате скопления дислокаций). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (напр., в нек-рых ориентированных полимерах до 1015 трещин в 1 см3). Однако их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше rс. Под постоянным напряжением размеры и концентрация трещин растут медленно и тело не разрушается, пока случайно, напр. благодаря последовательному слиянию близко расположенных соседних трещин, одна из них не дорастёт до критич. размера. Поэтому при создании прочных материалов следует заботиться не столько о том, чтобы трещины не зарождались, сколько о том, чтобы они не росли. Случайное распределение структурных неоднородностей по объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термич. флуктуации приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. s0) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях а я Т. Вероятность встретить в образце «слабое» место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. (разрушающее напряжение) малых образцов (напр., тонких нитей) выше, чем больших из того же материала (т. н. масштабный эффект). Участки с повышенным напряжением, где легче зарождаются микротрещины, встречаются чаще у поверхности (выступы, царапины). Поэтому полировка поверхности и защитные покрытия повышают П. Напротив, в агрессивных средах П. понижена.

способность материала (или конструкции) сопротивляться внеш. мех. воздействиям, не деформируясь необратимо выше заданного предела, т. е. не разрушаясь (см. Деформация механическая, Механические свойства). Понятие "П." относят не только к мех. разрушению (П. на разрыв), но также к разрушению под действием агрессивных сред (см. Коррозия под напряжением), электрич. поля (пробой в диэлектриках), лазерного излучения. В данной статье рассматривается мех. разрушение, а именно П. на разрыв. В рамках механики сплошных сред П. рассматривается на основе представлений теории упругости и пластичности исходя лишь из энергетич. критерия разрушения и расчетов локальных перенапряжений вблизи полостей и трещин. Согласно этим представлениям, разрыв упругих тел (хрупкое разрушение) возможен, если кол-во упругой энергии, освобождающейся при росте трещины, достаточно, чтобы скомпенсировать затраты энергии на образование новой пов-сти разрыва. Нормальные напряжения а вблизи вершины трещины м. б. рассчитаны по ф-ле:

где r-расстояние от конца трещины, К- т. наз. коэф. интенсивности напряжений, к-рый зависит от формы и пластич. св-в материала. При нек-ром критич. значении К _кр трещина распространяется без дополнит. увеличения приложенного напряжения. Разрушающее напряжение s _р для плоского напряженного состояния определяется ф-лой Гриффит-са:

где E-модуль Юнга, d-эффективная поверхностная энергия, l-критич. размер трещины. Для разрушения упруговяз-ких (вязкоупругих) тел, в т. ч. полимерных, П. определяется условиями образования "шейки" на растягиваемом образце, т. е. условиями нарушения пластич. устойчивости (см. Реология).

Совр. подход к изучению проблем П. учитывает атом-но-мол. строение твердых тел. Данные об энергии межатомных связей и межмолекулярных взаимод. позволили рассчитать теоретическую П. твердых тел на разрыв, к-рая оказалась во много раз большей, чем измеряемая на опыте для реальных тел. Расхождение теоретической и практической II. объясняется наличием в телах особых участков - концентраторов напряжений (трещин), в к-рых возникают локальные перенапряжения при приложении к телу нагрузки. Бездефектные материалы обладают П., приближающейся к теоретической; таковы, напр., нитевидные кристаллы.

Кипегика разрушения. Физ. теории рассматривают деформирование и разрушение твердых тел как процессы, при к-рых в исходной структуре развиваются изменения под действием приложенной к телу нагрузки, а также происходят физ.-хим. превращения в поле мех. напряжений, вплоть до катастрофич. разрушения тела, в т. ч. возникновение, перемещение и взаимод. точечных, линейных и объемных дефектов. Эти процессы сильно зависят от т-ры. Описание кинетики процесса требует прямой регистрации возникновения и скорости роста множества трещин или скорости прорастания отдельной магистральной трещины через сечение образца, а на атомномол. уровне-регистрации скорости накопления элементарных актов разрушения, т. е. необратимых разрывов межатомных связей.