При хрупком разрушении, согласно молекулярной модели тре­щины Бартенева—Разумовской—Ребиндера [5; 9; 11.14], в ее вер­

шине происходит последовательный разрыв или восстановление хи­мических связей, которые сопровождаются затратой кинетической энергии на преодоление потенциальных барьеров.

Молекулярная модель микротрещины в хрупком материале (рис. 11.6) является обобщением известных моделей трещины

Рис. 11.5. Временная зависимость прочности, типичная для твердого аморфного полимера (полиметилме - такрплата):

1 — при атермическом механизме разру­шения; С — при термофлуктуациопном ме­ханизме {при —20’ С)

Рис. 11.6. Молекулярная модель микротрещины в хрупком материале

Рис. 11.7. Изменение потенциаль­ной энергии в вершине микротрещи­ны пои разрыве химических связей {переход атомов слева направо) и при их рекомбинации (переход ато­мов справа налево) в разгруженном состоянии

Гриффита и Ребиндера. На границе перехода от «сплошности» к свободной поверхности (штриховая линия) происходит разрыв между атомами (у полимеров рвутся связи С—С или же другие химические связи цепей). В момент, зафиксированный на рис. 11.6, атомы 1—6 находятся еще в объеме тела, а 7—И и далее — на сво­бодных поверхностях; следовательно, последующий акт разрыва связи сводится в основном к переходу 6—7.

Вследствие фонон-атомиых взаимодействий (тепловых флуктуа­ций) атомы в вершине трещины время от времени приобретают кинетическую энергию, достаточную для разрыва связи (или же восстановления связи, если произошел разрыв связи). Процесс как разрыва, так и восстановления связей сопровождается затратой кинетической энергии на преодоление потенциальных барьеров U и U/ (рис. 11.7). Кинетические энергии частиц, численно равные этим потенциальным барьерам, являются соответственно энергия­ми активации процессов разрыва и восстановления связей. Раз­
ность потенциальных барьеров есть потенциальная поверхнгстная энергия, практически равная свободной поверхностной энш г.:л, возникающей при разрыве одной связи. Потенциальная энергия атомов в объеме с некоторым приближением может рассматри­ваться как функция расстояния между частицами в направлении растяжения, т. е. как функция расстояния я между атомами, а час­тиц, находящихся на свободной поверхности (после разрыва свя­зей),— как функция расстояния х' (см. рис. 11.6).

В ненагруженном твердом теле х = ао, что соответствует равно­весному межатомному расстоянию в объеме, и х' = Хо что соответ­ствует равновесному межатомному расстоянию в поверхностном слое по нормали. Следовательно, левый минимум (рис. 11.7) соот­ветствует равновесному положению частиц в объеме вдали от тре­щины; правый — равновесному положению частиц на свободных поверхностях трещины. Максимум на потенциальной кривой воз­никает вследствие того, что на процесс разрыва связей влияют ближайшие соседи, находящиеся в следующих атомных слоях. Их взаимодействие с атомами, выходящими после разрыва связей на поверхность микротрещины, характеризуется межатомным рас­стоянием х', причем у вершины трещины это расстояние макси­мально. В разгруженном материале вероятность нахождения частиц в левом максимуме кривой потенциальной энергии больше, чем в правом. Если нет осложняющих обстоятельств (коррозионных про­цессов и поверхностно-активной среды, проникшей в устье микро­трещины) , то микротрещина после разгрузки будет смыкаться.

В нагруженном материале растягивающее напряжение способ­ствует разрыву связей и препятствует их восстановлению, следова­тельно, для разрыва связей требуется меньшая, а для восстановле­ния их соответственно большая кинетическая энергия, чем в ненагру­женном состоянии. При увеличении растягивающего напряжения вероятность разрыва связей возрастает, а их восстановление — уменьшается, более вероятным становится разрыв связей и микро­трещина растет. Напряжение ст0, при котором вероятности разрыва и восстановления связей равны, есть безопасное напряжение об­разца.