Информация

Вязкость — очень важная конструкционная характеристика материалов. В древесиноведении принято относить ее к технологическим параметрам потому, что это свойство проявляется ча­ще в процессе изготовления изделий из древесины, нежели в процессе их использования по назначению. Ниже мы постараемся выяснить, по каким причинам.

 

 Вязкость или работа разрушения материала

Почему же конструкторы считают, что для прочностных расчетов конструкций, особенно крупногабаритных, вязкость материала является не менее важной характеристикой, чем, скажем, предел прочности или модуль упругости? Нач­нем с того, что важнейшим свойством любой конструкции является ее способность противо­стоять разного рода нагрузкам и при этом не разрушаться. Разрушение любого материала — процесс сложный, но принцип его достаточно прост. Чтобы материал детали разрушился, в нем должна возникнуть трещина. Однако для того чтобы такая трещина росла, необходимо затра­тить энергию, которую надо где-то взять.

Согласно современной точке зрения, в том случае, когда материал подвергается растягиваю­щей нагрузке, мы не должны рассматривать его разрушение как результат непосредственного растяжения химических связей между атомами. Иначе говоря, это отнюдь не простое следствие, вызванное действием растягивающего напряже­ния, как можно подумать, начитавшись классиче­ских учебников. Прямым результатом увеличе­ния нагрузки, действующей на конструкцию, бу­дет лишь увеличение запаса упругой энергии в материале. Ответ на вопрос, поломается ли на са­мом деле конструкция, зависит от того, может ли упругая энергия перейти в энергию разрушения так, чтобы образовать трещину, и так, чтобы эта трещина смогла развиваться до полного разру­шения детали.

Так вот, количество энергии, требуемое для разрушения образца материала, в соотношении с поперечным сечением определяет вязкость это­го материала, или «трещинностойкость», кото­рую в настоящее время чаще называют энергией или работой разрушения. Упомянутое свойство совершенно отличается и не зависит от прочно­сти материала на разрыв, которая определяется как напряжение (а не как энергия), требуемое для разрушения твердого тела. От вязкости, или работы разрушения материала, в значительной мере зависит реальная прочность конструкции, особенно если она велика по размерам. Совре­менную механику разрушения занимает прежде всего не вопрос о нагрузках и напряжениях, а во­прос о том, как, почему, где и когда упругая энер­гия может перейти в энергию разрушения. Ока­зывается, что независимо от того, подвергается ли конструкция удару или действию статической нагрузки, разрушение путем разрыва зависит главным образом от следующего:

•   от цены в единицах энергии, которую нужно заплатить, чтобы создать и «толкать» трещину;

•   от количества упругой энергии, которым располагает конструкция, готовая запла­тить указанную цену;

•   от размеров и формы наиболее опас­ных отверстий, трещин или дефектов конструкции.

Тот факт, что величины энергии, не­обходимые для того, чтобы разрушить материал в любом данном поперечном сечении, для различных твердых тел весьма различны, легко подтвердить, ударив молотком сначала по стеклян­ной, а потом по консервной банке.

 

Итак, когда твердое тело разрушается при растяжении, должна возникнуть хотя бы одна трещина, распростране­ние которой разделяет кусок материала на части. Это означает, что должны об­разоваться по крайней мере две новые поверхности, не существовавшие ранее, до разрушения тела. Чтобы таким путем произвести в материале разрыв и обра­зовать эти новые поверхности, необхо­димо разорвать все химические связи, до того сцеплявшие между собой по­верхности.

Количество энергии, требуемое для разрыва почти всех типов химических связей, хорошо известно (по крайней мере химикам), и оказывается, что для большинства твердых тел, с которыми мы имеем дело в технике, общие коли­чества энергии, требуемые для разрыва всех связей по любой единичной плос­кости в любом поперечном сечении, весьма близки между собой и не сильно отличаются от значения в 1 Дж/кв. м.

Если мы имеем дело с материалами, которые носят название хрупких (камень, кирпич, стекло или фаянс), — упомянутое количество энергии и есть почти вся та энергия, которую мы должны сообщить телу, чтобы произвести разрушения. В действительности 1 Дж/кв. м — это совсем малое количе­ство энергии. Так, согласно самой про­стой оценке, упругая энергия, которую можно запасти в 1 кг сухожилий, доста­точна для того, чтобы «заплатить» за 2500 кв. м поверхности битого стекла. (Такое действие эквивалентно визиту слона в посудную лавку). Вот почему каменщик раскалывает кирпич точно пополам всего лишь легким ударом ма­стерка, а чтобы разбить тарелку или бо­кал, достаточно малейшей неловкости. Хрупкие материалы по возможности не используются там, где они могут под­вергнуться действию растяжений. Эти материалы являются хрупкими не пото­му, что имеют низкую прочность на растяжение, — это означало бы, что для их разрушения требуется небольшая сила, — а потому, что для их разруше­ния требуется небольшая энергия.

Технические и биологические мате­риалы, которые относятся к вязким и используются в условиях растяжения, для образования новой поверхности при разрушении требуют значительно большей энергии. Другими словами, ра­бота разрушения для них значительно (несравненно!) больше, чем в случае хрупких твердых тел. Для вязкого трещинностойкого материала величина работы разрушения обычно лежит в пределах 10³-10⁶ Дж/кв. м. Поэтому энергия, требуемая для разрушения, на­пример, древесины или мягкой стали, может быть в десятки тысяч и даже в миллион раз больше энергии, требуе­мой для разрушения в таком же попе­речном сечении стекла или керамики, хотя величины статической прочности на растяжение этих материалов не сильно различаются. Поэтому таблица значений пределов прочности на рас­тяжение, если ее используют для выбо­ра какого-то конкретного материала, может дезинформировать конструкто­ра. По этой же причине классическая теория упругости, основанная главным образом на силах и напряжениях, кото­рая старательно разрабатывалась в те­чение столетий — и еще более стара­тельно преподавалась студентам, — са­ма по себе не может правильно пред­сказывать разрушение реальных мате­риалов и конструкций.

Хотя в деталях механизм поглощения столь  огромных  количеств  энергии в виде работы разрушения в вязких трещинностойких материалах часто явля­ется тонким и сложным, общий прин­цип его действия весьма прост. В хруп­ком твердом теле работа, производимая в процессе разрушения, на самом деле сводится к работе, которая необходима, чтобы разорвать химические связи на возникающей в процессе разрушения новой поверхности или в ее непосред­ственной близости. Как мы уже упоми­нали, соответствующая энергия мала и составляет около 1 Дж/кв. м. В вязком же материале, несмотря на то, что проч­ность и энергия каждой индивидуаль­ной связи остаются теми же, изменения структуры материала в процессе разру­шения распространяются на гораздо большую глубину. Практически, эти из­менения вполне могут распространять­ся на глубину свыше сантиметра, то есть на глубину, измеряемую 50 млн атомов, под видимой поверхностью разруше­ния. Поэтому, если в процессе нагрузки разорвется только одна межатомная связь, то энергия, требуемая для образо­вания новой поверхности, увеличится в миллионы раз, что, как мы видели, и имеет место в действительности. Моле­кулы, находящиеся вдали от поверхно­сти разрушения, способны, таким обра­зом, поглощать энергию и вносить свой вклад в сопротивление разрушению.

Механизм поглощения упругой энер­гии при разрушении у искусственно созданных пластиков и волокнистых композитов совершенно отличен от ме­ханизма поглощения у металлов, но до­статочно эффективен. У биологических материалов также, по-видимому, име­ются весьма совершенные механизмы получения больших величин энергии разрушения, которые работают весьма изощренным образом. Способ, реализу­ющийся, например, в древесине, исклю­чительно эффективен, и работа разру­шения дерева, взятая на единицу веса, больше, чем для большинства марок стали.

 

Уже упоминалось, что от характера приложения нагрузки (статическое растяжение или ударный изгиб) энер­гия разрушения не зависит. На практи­ке, для того чтобы опытным путем оп­ределить вязкость материала, издавна пользовались маятниковым копром. С его помощью определяли ударную вяз­кость — способность материала погло­щать механическую энергию в процес­се деформации и разрушения под дей­ствием ударных нагрузок. Методика ис­пытаний достаточно известна, чтобы излагать ее здесь. При всей значимости этой характеристики в прочностных расчетах деревянных конструкций ударная вязкость применяется редко.

                                                                                            

Приближенные величины работы разрушения и прочности при растяжении некоторых распространенных материалов
Вещество	Приближенное значение работы разрушения, Дж/кв.	Приближенное (номинальное) значение прочности на разрыв, МН/кв.м
Стекло, керамика	1-10	170
Цемент, кирпич, камень	3-40	4
Полиэфирные и эпоксидные смолы	100	50
Нейлон, полиэтилен	103	150-160
Кость, зубная ткань	103	200
Дерево	104	100
Мягкая сталь	105-106	400
Высокопрочная сталь	104	1000

 

 

Уже упоминалось, что от характера приложения нагрузки (статическое растяжение или ударный изгиб) энер­гия разрушения не зависит. На практи­ке, для того чтобы опытным путем оп­ределить вязкость материала, издавна пользовались маятниковым копром. С его помощью определяли ударную вяз­кость — способность материала погло­щать механическую энергию в процес­се деформации и разрушения под дей­ствием ударных нагрузок. Методика ис­пытаний достаточно известна, чтобы излагать ее здесь. При всей значимости этой характеристики в прочностных расчетах деревянных конструкций ударная вязкость применяется редко.

Когда речь идет о мебели, перекрыти­ях, лестницах и других столярно-стро-ительных изделиях и даже о зданиях в целом, сделанных из древесины, ока­зывается, что для этих конструкций важнее жесткость, чем прочность. Если сильно уменьшить толщину материала, из которого они сделаны, то прогибы, перемещения и общая хлипкость сде­лают эти предметы неприемлемыми в эксплуатации. Чтобы быть достаточ­но жесткими, различные части кон­струкции должны иметь настоль­ко большую толщину, чтобы возника­ющие в них напряжения были очень малы, с инженерной точки зрения. Таким образом, для конструкций, о которых идет речь, даже содержание в материале мелких дефектов и кон­центраторов напряжений обычно не имеет большого значения. А именно благодаря им вязкость материала приобретает для конструкций иного назначения и из иного материала чрез­вычайную важность.

Ударная вязкость древесины, как и подавляющее большинство других ее характеристик, зависит не только от породы, но и от влажности образца. В таблице 2 приведены значения ударной вязкости для основных древесных по­род при стандартной влажности (12%) образца и при влажности, превышаю­щей предел насыщения клеточных стенок.

Значения, приведенные здесь, дают основание сделать вывод, что при уве­личении влажности древесина стано­вится более хрупкой. Лиственные поро­ды (особенно твердые) проявляют су­щественно большую вязкость по срав­нению с хвойными.

Вполне естественно, что направление ударного изгиба относительно распо­ложения годичных слоев тоже заметно влияет на ударную вязкость образцов. Для хвойных и кольцесосудистых лист­венных пород ее значения на 20-50% выше при радиальном направлении удара, чем при стандартизованном тан­генциальном.

Более вязкая древесина дает при та­ких испытаниях защепистый излом, а более хрупкая — раковистый.

В заключение следует отметить, что сухая древесина в диапазоне природ­ных низких температур не проявляет значительного снижения вязкости.