Физические основы прочности материалов

Л.Б. ЗУЕВ, В.И. ДАНИЛОВ 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки  
151600 «Прикладная механика»  
и 223200 «Техническая физика»

Ответственный редактор
академик РАН Б. Д. Аннин

Второе издание

Ë.Á. Çóåâ, Â.È. Äàíèëîâ
Ôèçè÷åñêèå îñíîâû ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëîâ: Ó÷åáíîå ïîñîáèå /
Ë.Á. Çóåâ, Â.È. Äàíèëîâ – 2-å èçä. – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2016. – 376 ñ.

    êíèãå èçëîæåíû îñíîâíûå ñâåäåíèÿ î ïðèðîäå ïðî÷íîñòè è ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè òâåðäûõ òåë ðàçíîé ïðèðîäû. Ïðèâåäåíû ñâåäåíèÿ î
äåôåêòíîé ñòðóêòóðå òâåðäûõ òåë, ïîâåäåíèè è âçàèìîäåéñòâèè äåôåêòîâ. Ðàññìîòðåíû îñíîâíûå âîïðîñû òåîðèè äèñëîêàöèé è îïèñûâàåìûå
íà åå áàçå ïðåäñòàâëåíèÿ î ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè è ðàçðóøåíèè òâåðäûõ òåë. Ðàññìîòðåíû ïðîáëåìû ïîëó÷åíèÿ ìàòåðèàëîâ ñ ïðî÷íîñòüþ,
ïðèáëèæàþùåéñÿ ê òåîðåòè÷åñêîé. Îáúÿñíåíà ïðèðîäà âûñîêîïðî÷íîãî
ñîñòîÿíèÿ, åå ôèçè÷åñêèé ñìûñë, à òàêæå îïèñàíû ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà èñïîëüçóåìûõ â òåõíèêå âûñîêîïðî÷íûõ ìàòåðèàëîâ.
  Ðàññìîòðåíû ñîâðåìåííûå òåîðèè ðàçðóøåíèÿ òâåðäûõ òåë è ââåäåíû
êîëè÷åñòâåííûå õàðàêòåðèñòèêè, îïèñûâàþùèå ñîïðîòèâëåíèå ðàçðóøåíèþ.
  Ïðîàíàëèçèðîâàíû ìåòîäèêè èñïûòàíèÿ ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ ïðè àêòèâíîì íàãðóæåíèè, ïîëçó÷åñòè, ðåëàêñàöèè óïðóãèõ íàïðÿæåíèé è ïðè
óñòàëîñòè.
   Äëÿ ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ïî íàïðàâëåíèÿì ïîäãîòîâêè âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ «Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà» è «Òåõíè÷åñêàÿ ôèçèêà», à òàêæå àñïèðàíòîâ, ñïåöèàëèçèðóþùèõñÿ â îáëàñòÿõ,
ñâÿçàííûõ ñ ôèçèêîé ïðî÷íîñòè è ôèçè÷åñêîãî ìåòàëëîâåäåíèÿ.
   Ïåðâîå èçäàíèå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â âåäóùèõ ðîññèéñêèõ óíèâåðñèòåòàõ.

© 2013, Ë.Á. Çóåâ, Â.È. Äàíèëîâ
© 2016, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-196-6

ISBN 978-5-91559-196-6

Ó÷åáíîå ïîñîáèå ñîçäàíî
â Èíñòèòóòå ôèçèêè ïðî÷íîñòè è ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ÑÎ ÐÀÍ
è Íàöèîíàëüíîì èññëåäîâàòåëüñêîì Òîìñêîì ïîëèòåõíè÷åñêîì
óíèâåðñèòåòå â ñîîòâåòñòâèè ñ ðåêîìåíäàöèÿìè
Ó÷åíûõ ñîâåòîâ ÈÔÏÌ ÑÎ ÐÀÍ è ÍÈ ÒÏÓ

Ðåöåíçåíò  –  ä.ô.-ì.í. Ñ.Ë. Áàæåíîâ

 !"#!

"#$%&"$'%

!()*+,!
+-+.,!/,$$%l
l + l
l

x
p
V

V

а
б
в

Pmax

Pупр

Iупр

Сила Р

Удлинение I

&"
"'

а
б
в

г

ост
0
max
max

упр
пр
a

b
c

d

e

"""'

#(("'




а
б

в
г

д
е

 

"""A

1
2

3

4

5
6

$"!"#'""!'

 Вектор
сдвига
А
В

D
C

Вектор
сдвига

А
В

D
C

200 мкм

b

r

а

б
в

D

A

B

а

б

b

a

b

c

b

d

1 мкм

в
б

а



)""
*(+""300

150

0

нм

мкм

2,0

1,5

1,0

0,5

0 мкм

2,0

1,5

1,0

0,5

0

2

2

1

2

4

120

160

200

240

280
нм

3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
мкм

мкм

1,2

2,4

а

б

,'"а

б
в

1 мкм

-"'"'"



(+"
'а

б

в



''"

а
б

в
г

д

250 нм

#"("–400

–200

0

–348

0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,154
Расстояние между ядрами в С—Ссвязи , нм
r

Потенциальная энергия связи
, кДж/моль
U

1

1

2

2

3

3

4

4

0,4 нм

Графен
на меди

Полимерный
слой

Травящий
агент

Графен
на полимере

Требуемая
подложка
Графен
на подложке

Освобожденный
полимер

б
а
1 нм

2 мкм

0,5 мкм

1 мкм
1,5 мкм

а
б

F

L/2
L/2

1

2
h

l
l

F

F||
F

FFа

F

l
l

1

2

б

)$""'
0

50

100

150

200

250

300
, МПа

0,00 0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45 1
2
3

4

5

6
7
8
9

i

а
б





5
10
15
20
25
30
0
х, мм
0

2

4
у, мм

5
10
15
20
х, мм

F

F

0,006
у, мм

xx

Vaw

а

б


Упругая волна

Автоволна переключения

Фазовая автоволна

Стационарная
диссипативная структура

Коллапс автоволны

Рождение крекона


!"

 #


$%%&%%'%


%


!(
!!!"#$


Поглощающий
стержень СУЗ

Верхняя концевая
деталь

Пучок ТВЭЛов

Дистанционирующая решетка

Направляющие
каналы

Нижняя
концевая
деталь

5
7

2

1
3

4
6

!
 %&!
!Жидкий металл

Печь

Индуктор

Керамическая
форсунка

Охлаждаемый
барабан

Аморфная
металлическая лента

р

10 мкм
10 мкм

а
б
в

!!(5 мкм
а

5 мкм
б

!#)
%(

 0

5

10

15

20

25

мкм

0
5
10
15
20
25 мкм

4
2
0

нА

25
20
15
10
5
0

25
20
15
10
5
0

мкм

мкм

5

10

15

20

0

мкм

0
5
10
15
20 мкм

а
б

в
г

  #*(%(

а
б

в

#+#
#* #%*#!%%$%(

$%%($*$+%$%(а

б

б
а

0,1 мкм
50 мкм

$!"),*,

$#*%а
б

а
б

$$*3700
3900
4100
4300
4500
t, с
10

14

18

22

26

30

34

Х, мм

5001000
2000
3000
4000 texp, с
0

1000

2000

3000

4000

tcalc, с

BT10 (CMK)
40X13
V—Zr—C

BT10 (
)
кз

Fe3 % Si (
)
кз

Fe3 % Si (
)
мз

А85

5
10
15
20
25
30
35
40 Хexp, мм

5

10

13

20

25

30

35

40

Хcalc, с
BT10 (CMK)

40X13

V—
Zr—
C
2,5 %
0,4 %

BT10 (
)
кз

Fe3 % Si (
)
кз

Fe3 % Si (
)
мз

А85

а

б
в

 &(&%%%


&(



&(

&(

&!*&#%+&$(('+%'- ')(

 '%*А

В

1

2

3

4
5
6

7

8
9
10

а
б
в

'(*Начальная фаза

Устойчивый рост

График уравнения (10.5)

Ускоренное
разрушение

ln (d /d
)
l
N

ln Kth
ln K
ln K1c

'!+*+ 
 + '(

!
"#$%&%

"%
!%&!
%Êíèãè ïî ìàòåðèàëîâåäåíèþ

Ì. Ýøáè, Ä. Äæîíñ
Êîíñòðóêöèîííûå ìàòåðèàëû. Ïîëíûé êóðñ,
ïåð. 3-ãî àíãë. èçä.

Ó÷åáíîå ðóêîâîäñòâî ñîçäàíî èçâåñòíûìè ñïåöèàëèñòàìè èç Êåìáðèäæñêîãî
óíèâåðñèòåòà. Ïîäðîáíî ðàññìîòðåíû ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà è ìèêðîñòðóêòóðû ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ, ïîëèìåðîâ, êåðàìèê è êîìïîçèòîâ. Îñîáîå âíèìàíèå
óäåëåíî õàðàêòåðèñòèêàì ïðî÷íîñòè äëÿ ðàçëè÷íûõ ðåæèìîâ íàãðóæåíèÿ, êîððîçèîííîé ñòîéêîñòè è ïðîöåññàì îáðàáîòêè.
Íà ìíîãî÷èñëåííûõ ïðèìåðàõ äàåòñÿ îáîñíîâàíèå èíæåíåðíûõ ðàñ÷åòîâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ êîíñòðóèðîâàíèÿ â ñàìîì øèðîêîì ñïåêòðå ïðèìåíåíèé. Ó÷åáíèê ÿâëÿåòñÿ íåçàìåíèìûì èñòî÷íèêîì äëÿ èíæåíåðîâ-ïðîåêòèðîâùèêîâ â ïðîìûøëåííîñòè è ñòðîèòåëüñòâå ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì ìàòåðèàëîâåäåíèÿ è íå
èìååò àíàëîãîâ â ìèðîâîé ëèòåðàòóðå.

Äëÿ ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ìàòåðèàëîâåä÷åñêèõ, ìàøèíîñòðîèòåëüíûõ
è îáùåòåõíè÷åñêèõ ôàêóëüòåòîâ, ðàçðàáîò÷èêîâ, êîíñòðóêòîðîâ è òåõíîëîãîâ.

Ñ.Í. Êîëîêîëüöåâ
Óãëåðîäíûå ìàòåðèàëû. Ñâîéñòâà, òåõíîëîãèè, ïðèìåíåíèÿ

Ó÷åáíî-ñïðàâî÷íîå ðóêîâîäñòâî ïîñâÿùåíî ñîâðåìåííûì óãëåðîäíûì ìàòåðèàëàì, èõ ñâîéñòâàì, òåõíîëîãèÿì ïîëó÷åíèÿ è âîçìîæíîñòÿì ïðèìåíåíèÿ.
Øèðîêèé îõâàò âîïðîñîâ è ïîñëåäîâàòåëüíîå èçëîæåíèå ìàòåðèàëà âêëþ÷àåò
òåìû îò îáùèõ ñâîéñòâ óãëåðîäà ê îñîáåííîñòÿì òåõíîëîãèé ïðîèçâîäñòâà èñêóññòâåííîãî ãðàôèòà è äî ïîëó÷åíèÿ ìíîãèõ ðàçíîâèäíîñòåé óãëåðîäíûõ ìàòåðèàëîâ è íàíîñòðóêòóð ñ ðàçëè÷íûìè ôèçèêî-õèìè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè.
 èçäàíèè èçëîæåíî ñîâðåìåííîå ïðåäñòàâëåíèå î êëàññèôèêàöèîííûõ ïðèçíàêàõ àëëîòðîïíûõ ôîðì óãëåðîäà, ïîçâîëÿþùåå ïðåäñêàçûâàòü ñóùåñòâîâàíèå åùå íåîòêðûòûõ åãî ôîðì. Ïðèâåäåíà äåéñòâóþùàÿ ñîâðåìåííàÿ êëàññèôèêàöèÿ óãëåðîäíûõ ìàòåðèàëîâ. Ðàññìîòðåíû ñâîéñòâà è îñîáåííîñòè ïðèðîäíûõ ôîðì óãëåðîäà è ïðèðîäíûõ óãëåðîäíûõ ìàòåðèàëîâ. Îïèñàíû ïðîöåññû ïîëó÷åíèÿ èñêóññòâåííûõ ôîðì àëìàçîâ, ãðàôèòà è íàíîñòðóêòóð, âëèÿíèå
òåõíîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ íà èõ ñâîéñòâà.
 êíèãå ïðèâåäåíû ñâåäåíèÿ î ìíîãèõ ìîäèôèêàöèÿõ èñêóññòâåííûõ óãëåðîäíûõ ìàòåðèàëîâ. Íàðÿäó ñ òðàäèöèîííûìè óãëåãðàôèòîâûìè ìàòåðèàëàìè è èõ
êîìïîíåíòàìè îïèñàíû ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà ïèðîëèòè÷åñêèõ, óãëåâîëîêíèñòûõ, êîìïîçèöèîííûõ, òîíêîïëåíî÷íûõ àëìàçîïîäîáíûõ, íàíîñòðóêòóðíûõ ðàçíîâèäíîñòåé ýòèõ ìàòåðèàëîâ. Äëÿ âñåõ ìàòåðèàëîâ ïðèðîäíîãî è èñêóññòâåííîãî ïðîèñõîæäåíèÿ îïèñàíû îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ. Êíèãà ñîäåðæèò
äîñòàòî÷íûé îáúåì èëëþñòðàòèâíîãî ìàòåðèàëà.

Èçäàíèå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ èíæåíåðîâ, ñïåöèàëèñòîâ, òåõíîëîãîâ â îáëàñòè
óãëåðîäíûõ ìàòåðèàëîâ, ìàãèñòðàíòîâ, ñòóäåíòîâ ñòàðøèõ êóðñîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ìàòåðèàëîâåä÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé óíèâåðñèòåòîâ.

Ïîëíûå îãëàâëåíèå ýòèõ è äðóãèõ êíèã ïî ìàòåðèàëîâåäåíèþ

 íà ñàéòå www.id-intellect.ru

Ôðàãìåíò ïåðå÷íÿ êíèã  ÈÄ «Èíòåëëåêò»

È. Ðåñëåð, Õ. Õàðäåðñ, Ì. Áåêåð
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ,
ïåð. ñ íåì.

Êíèãà, ñîçäàííàÿ èçâåñòíûìè íåìåöêèìè ñïåöèàëèñòàìè èç òåõíè÷åñêîãî
óíèâåðñèòåòà Áðàóíøâåéãà, çíàêîìèò ÷èòàòåëÿ ñ ïîâåäåíèåì ìåòàëëîâ, ïîëèìåðîâ, êåðàìèê è êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ïîä äåéñòâèåì ìåõàíè÷åñêîé
íàãðóçêè. Ðàññìîòðåí øèðîêèé êðóã òåì, íà÷èíàÿ îò ìåòîäîâ ìåõàíè÷åñêèõ
èñïûòàíèé è îïèñàíèÿ óïðóãèõ õàðàêòåðèñòèê è ïëàñòè÷íîñòè ìàòåðèàëîâ, è
êîí÷àÿ äèñëîêàöèîííîé òåîðèåé äåôîðìèðîâàíèÿ ìåòàëëîâ. Îïèñàíî ïîâåäåíèå ìàòåðèàëîâ ïðè öèêëè÷åñêîì íàãðóæåíèè, ïðè âîçäåéñòâèè ïîâûøåííîé
òåìïåðàòóðû, âûñîêîé ñêîðîñòè íàãðóæåíèÿ è äðóãèõ âîçäåéñòâèÿõ.
Ýòî ïðåêðàñíûé ó÷åáíèê «äëÿ ïåðâîãî ÷òåíèÿ», îïèñûâàþùèé ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå ìàòåðèàëîâ. Ñ îäíîé ñòîðîíû, àâòîðàì óäàëîñü èçáåæàòü ñïîëçàíèÿ â èçëèøíå ñëîæíóþ ìàòåìàòèêó, à ñ äðóãîé – â ýëåìåíòàðíîå ïåðå÷èñëåíèå ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ è ìåõàíè÷åñêèõ ÿâëåíèé.

Ó÷åáíîå ïîñîáèå áóäåò ïîëåçíî ñòóäåíòàì è ïðåïîäàâàòåëÿì ìàòåðèàëîâåä÷åñêèõ è ìàøèíîñòðîèòåëüíûõ ñïåöèàëüíîñòåé, èíæåíåðàì-èññëåäîâàòåëÿì è ðàçðàáîò÷èêàì.

Ñ.Ë. Áàæåíîâ
Ìåõàíèêà è òåõíîëîãèÿ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ

 ó÷åáíî-ñïðàâî÷íîì ðóêîâîäñòâå îïèñàíû òåõíîëîãèÿ èçãîòîâëåíèÿ, ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà è ðàçðóøåíèå êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå ïîëèìåðíûõ ìàòðèö.
Äåòàëüíî èçëîæåíà òåõíîëîãèÿ ïðîèçâîäñòâà ñòåêëÿííûõ, óãëåðîäíûõ, áîðíûõ è îðãàíè÷åñêèõ âîëîêîí. Îïèñàíû òåðìîðåàêòèâíûå è òåðìîïëàñòè÷íûå
ïîëèìåðíûå ìàòðèöû, à òàêæå òåõíîëîãèÿ ôîðìîâàíèÿ âûñîêîïðî÷íûõ êîìïîçèòîâ.
 Äàíà òåîðèÿ ðàçðóøåíèÿ âîëîêíèñòûõ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ è íàïîëíåííûõ êîìïîçèòîâ.
Êíèãà ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ íàó÷íûõ è èíæåíåðíûõ ðàáîòíèêîâ, çàíèìàþùèõñÿ ïðèìåíåíèåì è ðàçðàáîòêîé êîìïîçèòîâ â àâòîìîáèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè, ñóäîñòðîåíèè, àâèàöèîííîé è êîñìè÷åñêîé òåõíèêå, à òàêæå äëÿ
ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ìàòåðèàëîâåä÷åñêèõ è òåõíîëîãè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé.

Ð. Ãåðìàí
Ïîðîøêîâàÿ ìåòàëëóðãèÿ îò À äî ß, ïåð. ñ àíãë.

Çíà÷åíèå ïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè âîçðàñòàåò ñ êàæäûì ãîäîì ïî ìåðå
óâåëè÷åíèÿ óäåëüíîãî âåcà ïîðîøêîâûõ äåòàëåé â ñîâðåìåííûõ àâòîìîáèëÿõ, ñòàíêàõ, ïðåäìåòàõ îáèõîäà. Ôàêòè÷åcêè ýòî îäíà èç äàâíèõ è óñïåøíûõ
íàíîòåõíîëîãèé. Ïðåäëàãàåìàÿ êíèãà èçâåñòíîãî àìåðèêàíñêîãî ñïåöèàëèñòà
íàïèñàíà â ôîðìå ýíöèêëîïåäèè è âêëþ÷àåò â ñåáÿ âñå òåõíîëîãè÷åñêèå
ïðîöåññû, èñïîëüçóåìûå â ñîâðåìåííîé ïîðîøêîâîé ìåòàëëóðãèè è âñå íåîáõîäèìûå ñâåäåíèÿ ìàòåðèàëîâåä÷åñêîãî õàðàêòåðà. Ïîäðîáíî ïðåäñòàâëåíû íåîáõîäèìîå îáîðóäîâàíèå è èíñòðóìåíò. Èçäàíèå ñíàáæåíî óíèêàëüíûìè ôîòîãðàôèÿìè ìèêðîñòðóêòóð ïîðîøêîâûõ è êîìïîçèòíûõ ìàòåðèàëîâ.

Êíèãà ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà è êàê ó÷åáíîå ïîñîáèå, è êàê ñïðàâî÷íèê
ñòóäåíòàìè è ïðåïîäàâàòåëÿìè òåõíè÷åñêèõ è òåõíîëîãè÷åñêèõ óíèâåðñèòåòîâ, ñïåöèàëèñòàìè ìàøèíîñòðîåíèÿ.