Теоретическая и реальная прочность твердых тел

Атом состоит из элементарных частиц, к которым относятся нейтрон — частица без заряда, электрон — отрицательно заряженная частица и протон — положительно заряженная частица. Электроны движутся по орбите вокруг ядра атома, которое состоит из протонов и нейтронов. В зависимости от положения электронов на орбитах межатомную связь можно разделить на металлическую, ковалентную и ионную. Металлическую связь можно представить следующим образом. Если два атома удалены на большое расстояние, то электроны притягиваются к протонам ближайшего атома. Если атомы постепенно сближаются, то орбиты электронов обоих атомов частично перекрывают друг друга, появляется свободный электрон, не связанный с этими атомами. Полному сближению атомов мешают возрастающая по мере уменьшения межатомного расстояния сила отталкивания, возникающая вследствие деформации электронных оболочек атомов, а также сила отталкивания между положительно заряженными ионами (рис. 16).

Рис. 16. Изменение потенциальной энергии взаимодействия между атомами:

1 — сила притяжения; 2 — равнодействующая сила; 3 — сила отталкивания При теоретическом расчете сил разрыва связи между атомами, отнесенных к единице площади, получаем величину теоретической прочности примерно 1/10 модуля Юнга. На самом деле фактическая прочность составляет 1…10% теоретической прочности.

Физики предположили, что причина расхождения между теоретической и реальной прочностью заключается в том, что в основе теоретического расчета лежит гипотеза о преодолении сил связи атомов при отрыве одновременно по всему сечению испытываемого образца. В действительности же силы связи преодолеваются не одновременно. Причиной этого являются местные дефекты. Разрушение реальных кристаллов происходит не одновременно по всему сечению, а в две стадии: 1) возникновение трещин в дефектных местах; 2) распространение трещин по всему сечению с разделением кристалла на две части.