Напряжения и деформация или почему мы не проваливаемся сквозь пол.

Введение
1. Основные понятия науки о прочности
1.1 Напряжение и деформация
1.3 Теоретическая прочность
1.4 Роль дефектов в прочности
2. Роль дислокаций в физике разрушения кристаллов
Заключение
Список литературы

Поскольку атомы вблизи дислокаций смещены из своих положений равновесия, перевод их в новые положения равновесия, отвечающие сдвигу кристалла по плоскости скольжения на одно межатомное расстояние, требует значительно меньших затрат энергии, чем для атомов в неискажённом кристалле. Энергетический барьер для смещения дислокации тем меньше, чем больше зона искажения в окрестности дислокации. По подвижности дислокации все материалы делятся на 2 группы. В ковалентных кристаллах этот барьер по порядку величины приближается к энергии межатомных связей и может быть преодолен только за счёт тепловой активации (термических флуктуаций). Поэтому подвижность дислокаций становится заметной лишь при достаточно больших температурах, а при умеренных — ковалентные кристаллы непластичны. В реальном материале трещины совсем не похожи на плоские картинки на листе бумаги, это сплюснутые объемные клиновидные поры, пытающиеся втиснуться в трехмерный материал. Поэтому для того, чтобы должным образом уменьшить концентрацию напряжений, необходим сдвиг в пяти плоскостях.
В металлических и ионных кристаллах барьер для перемещения дислокации в 103—104 раз меньше энергии связи и исчезает при напряжениях 10-3—10-4 G (где G — модуль сдвига); при таких напряжениях движение дислокаций не нуждается в тепловой активации и их подвижность слабо зависит от температуры. Сопротивление движению дислокаций в совершенной кристаллической решётке пренебрежимо мало, чем обусловлена высокая пластичность ионных и металлических кристаллов.
Очень важную роль играет кристаллическая структура матеориала, то есть координаты расположения атомов или молекул в кристалле. Если элементарная ячейка достаточно велика, то прыжок дислокации от одной атомной плоскости к другой будет затруднен. Даже если элементарная ячейка мала, но упаковка атомов геометрически сложна, число направлений легкого скольжения будет чересчур ограничено. Обычно кристаллы с кубическим расположением атомов деформируются легче, чем кристаллы с гексагональной упаковкой атомов. Далее, важную роль играют размер ячейки, а также наличие атомов примеси и точечных дефекетов.
Пластичность простых аморфных тел связана с диффузионными перегруппировками атомов и молекул, т.е. контролируется, в основном, температурой. Пластичность ряда веществ связана с передвижением недеформирующихся твёрдых частиц друг относительно друга в некоторой вязкой среде. Примерами этого процесса могут быть: пластилин, глины, сыпучие тела, смоченные водой, и т.п.
В данном разделе очень схематично показаны основные принципы, лежащие в современных подходах к процессам деформации материалов, при этом очевидно, что теоретически решены еще далеко не все принципиальные вопросы, и эта отрасль знания продолжает динамично развиваться.
3. Перспективы получения новых перспективных материалов
История развития материаловедения подсказывает, что традиционные для прошлого века принципы "конструирования" структуры материалов далеко не исчерпаны. Так, всевозможные типы армирования, со времен повсеместного распространения предварительно напряженного железобетона, рождают принципиально новые типы материалов: адаптивных, программируемых на события и т.д. и для армирования все шире используются сверхпрочные наноструктуры – металлические, керамические и углеродные "усы" и нанотрубки (наряду с вновь входящим в массовые технологии асбестом). Отдельный вопрос, – стоимость и оправданность этих ресурсоемких разработок. При этом чрезвычайно трудно выбрать одно из бесчисленных возможных направлений исследований, т.к. разработка новых материалов требует десятилетий исследований и они должны быть "синхронизированы" с перспективным развитием всех родственных направлений техники. При этом ряд решений, имеющих значение для сохранение жизни масс людей (например, в транспортной и энергетической отраслях), делает постановку вопроса предельно острой.
По некоторым направлениям существуют, с современной точки зрения, принципиальное ограничение на повышение теоретической прочности, т.к. число кристаллов, которые удовлетворяют всем необходимым условиям, очень мало: не больше десятка металлических кристаллов из тысяч существующих кристаллических веществ.
До сих пор продолжаются попытки создать "улучшенный вариант" древесины, материала, близкого к идеальному для многих применений. Существуют близкие к идеалу, например, модификации жесткого полиуритана, но пока их стоимость резко ограничивает применение.
Далеко не исчерпан ресурс в создании новых полимеров, особенно в направленном "конструировании" межмолекулярной структуры, даже просто копируя "природные" патенты. При этом, в теории, должны на порядок возрасти в комплексе жесткость, прочность и вязкость новых материалов.
Налицо общая тенденция: улучшение удельных свойств материалов, при условии их предельно простой обработки и широкой области применения, сокращения времени проектирования, моделирования и испытания изделий, построенных на основе новых материалов.
Синтетическая наука о материалах, в которую входит изучение проблем прочности, переживает период окончания становления, тем более трудного, что по необходимости оно вынуждено объединять специалистов почти совершенно до того обособленных наук.

Заключение
В работе рассмотрены наиболее принципиальные из современных подходов к проблеме прочности материалов. Даже вовсе не упомянутые в ней существенные проблемы этой области знания заслуживают отдельных монографий для достаточного освещения.
Очень многое в вопросах обеспечения требуемых свойств материалов было достигнуто исключительно эмпирическими методами за многие годы поисков тысяч инженеров и научное обоснование (или опровержение) этих фактов – также очень актуально, т.к. этот опыт закреплен в огромном количестве действующих нормативных и технологических документов.
Вопрос целенаправленного изменения важных свойств материалов лежит не только в технической сфере – он непосредственно входит в социальную и экономическую сферы общества. Существующий системный кризис техногенно-потребительской цивилизации одну из точек бифуркации, очень возможно, переживает именно в области науки о материалах.
В настоящее время повсеместно снижается доля затрат на материалы в себестоимости готовых изделий и все большую часть расходов забирают информационная и экологосберегающия составляющие. Неизвестно, насколько долговременна эта тенденция, но именно она может позволить воспользоваться "экономической передышкой" для выбора взвешенных шагов в разработке новых материалов, а ошибки, особенно в наши кризисные времена, обойдутся людям очень дорого. А пока остается надеяться, что повсеместная замена плохих деревянных рам на плохие полимерные "для ленивых", не станет одним из признаков нашей эпохи для потомков.
Список литературы
1. Гордон, Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол. Пер. с англ. 1971.
- 272 с.
2. Хирт, Дж., Лоте И. Теория дислокаций / Перев. с англ, под ред. Э. М. Надгорного и Ю. А. Оетшьяна, - М., Атомиздат, 1972, - 600 с.
3. Яворский, Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1990. – 624 с.
4. Сайт науки о материалах. Раздел мартенстных превращений. (http://materiology.info/ref/martensita_deformacii.html( (14.05.09).
5. Электронная физическая библиотека. Раздел: физика разрушения. (http://rusnauka.narod.ru/lib/phisic/destroy/glava6.htm( (11.05.09).
Яворский, Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1990. – С. 137 - 138.
Яворский, Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1990. – С. 464.
Гордон, Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол. Пер. с англ. 1971.
- С. 30 – 45.
Гордон, Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол. Пер. с англ. 1971.
- С. 55 – 69.
Сайт науки о материалах. Раздел мартенстных превращений. (http://materiology.info/ref/martensita_deformacii.html( (14.05.09).
Сайт науки о материалах. Раздел мартенстных превращений. (http://materiology.info/ref/martensita_deformacii.html( (14.05.09).
Сайт науки о материалах. Раздел мартенстных превращений. (http://materiology.info/ref/martensita_deformacii.html( (14.05.09).
Электронная физическая библиотека. Раздел: физика разрушения. (http://rusnauka.narod.ru/lib/phisic/destroy/glava6.htm( (11.05.09).
Электронная физическая библиотека. Раздел: физика разрушения. (http://rusnauka.narod.ru/lib/phisic/destroy/glava6.htm( (11.05.09).
2
Е
Е0
I
r0
r
Рисунок 3.
Краевая, слева и винтовая, справа, дислокации.
Сближение
Рисунок 2.