Про'чность 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 ~ 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 st (st » 0,1 Е , где Е — модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р* , которой соответствует напряжение s = P */S, в 100—1000 раз меньшее st . 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 st способствуют термической флуктуации . Если на участке поверхности S малых размеров (но значительно превышающем сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше st , 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 sт , и трещина растет дальше по всему сечению тела с большой скоростью — наступает разрушение. r c определяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: r c » Е g / s2 (где g — 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 g должна быть включена работа пластической деформации gР , которая обычно на несколько порядков больше истинной поверхностной энергии g. 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 . 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 t 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 s, приложенных к образцу, долговечность t при растяжении определяется соотношением

     (1)

где t0 — приблизительно равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10-12 сек ), энергия U 0 близка к энергии сублимации 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 t существует почти постоянное предельное значение напряжения s0 , выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение s0 можно считать пределом прочности (см. табл.).

  Некоторые значения прочности на растяжение, s0 в кгс/мм 2 (1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2 )

  Время t затрачивается на ожидание термофлуктуационного зарождения микротрещин и на их рост до критического размера r c. Когда к образцу прикладывают напряжение s, 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 ). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (например, в некоторых ориентированных полимерах до 1015 трещин в 1 см 3 ). 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. s0 ) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях s 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. sт = 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 sт 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. 2. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направление растяжения; заштрихована область, в которой сняты напряжения.

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