Влияние температуры на строение и свойства материалов

Рис. 2.20. Распределение растягивающих напряжений по сечению детали с трещинами разных параметров на поверхности и в объеме детали

Их негативное влияние на прочность детали проявляется в 2-х аспектах. Во-первых, наличие трещины уменьшает оставшееся, т.н. "живое" сечение детали, из-за чего увеличиваются средние напряжения по сечению:

Где номинальные напряжения в сечении детали площадью F без концентраторов напряжений под действием нагрузки Р.

Анализ приведенной формулы показывает, что напряжения в месте концентрации могут в десятки и сотни раз превышать номинальные значения при . Если будет выполнено условие:

То трещина начнет «раскрываться» - увеличиваться в размерах. Это, естественно, приведет к уменьшению общего сечения детали, резкому возрастанию в ней средних напряжений и ее быстрому разрушению. Результатом такого негативного развития событий может стать внезапный отказ СТС (авария) с возможными людскими жертвами.

Описанные выше изменения строения материала в микрообъемах в дальнейшем могут перейти в нежелательные макроизменения:гофрированию листов обшивки корпуса (образованию "складок"), его "растяжке", образова­нию вмятин, изменению формы деталей СТС и т.п.

Именно поэтому важнейшей задачей проводимых судовыми механиками ППО и ППР (планово-предупредительных осмотров и ремонтов) является своевременное обнаружение таких изменений, особенно трещин, в корпусе судна и ответственных деталях СТС и принятие мер по их устранению или предотвращению развития. Для этого концы трещины засверливают сверлом диаметром 8... 10 мм, что позволяет резко снизить концентрацию напряже­ний.

К этой же категории средств защиты от распространения трещин принад­лежит используемый при постройке корпуса судна принцип создания т.н. "барьерных" швов.

Характер теплового движения частиц в кристаллах.

В рассмотренных ранее моделях твердых шаров была представлена ста­тическая картина расположения атомов в кристаллах (см. рис. 2.5). На самом деле частицы, участвуя в тепловом движении, постоянно колеблются относи­тельно положения равновесия с амплитудой, возрастающей с повышением температуры кристалла и достигающей до 5...7 % от статического расстоя­ния между ними. Попытаемся объяснить этот факт с позиций физики твердого тела, трансформировав приведенную ранее зависимость свободной энергии G от расстояния между частицами в кристалле (рис. 2.21). Несколько упрощая картину, можно утверждать, что ее минимум О₀ соответствует дну потенциальной ямы при температуре Т_о = О К, а период решетки - а_0.

При нагреве энергия ко­леблющихся атомов и интервал возможных значений пе­риода кристаллической решетки возрастают. Так, при температуре Т₁ он составляет . В то же время среднее значение периода a_1ср, фиксируемое, на­пример, при рентгеноструктурном анализе, оказывается больше а₀. Это связано с асимметричностью кривой изменения свободной энергии — силы отталкивания при перекрытии электронных оболочек атомов оказываются значительно больше совместного действия сил кулоновского и гравитационного взаимодействия (см. п. 2.2.1).

Колеблющиеся частицы взаимодействуют со своими соседями, в резуль­тате чего колебания передаются от частицы к частице в виде волн, несущих тепловую энергию. Механизм этих тепловых колебаний аналогичен меха­низму звуковых волн, поэтому их относят к группе акустических волн. Диапазон частот тепловых волн очень широк - 10²...10¹³Гц, а скорость распро­странения равна скорости звука. Их энергия квантована, измеряется в фононахи рассчитывается в соответствии с законом М. Планка:

E = h-v,

где Е - энергия фонона, h - постоянная Планка, v - частота тепловых колеба­ний атома (молекулы).

Наиболее важными для техники (в том числе и для морского транспорта) последствиями тепловых колебаний частиц в твердых телах являются:

• изменение геометрических размеров деталей;

• повышение диффузионной подвижности атомов;

• интенсификация коррозионных процессов;

• понижение прочности материалов.