Анизотропия срезающего усилия

Анизотропия срезающего усилия и зависимость его от условий срезаНа рисунке приведены результаты измерений величины срезающий усилий для разных кристаллографических направлений. За нулевое принято направление плоскости симметрии кристалла или направление длинного луча фигуры удара, совпадающего с осью nm оптической индикатрисы(плоскость 010 элементарной ячейки). Зазор между пуансоном и матрицей при срезе составлял 10% толщины кристалла. Видно, что максимальная величина срезающего усилия наблюдается под углами 30 и 90° по отношению к оси nm, а минимальные при углах 0 и 60°. Изменения величины срезающего усилия при этом достигают 15%.

На рисунке представлен график изменения с направлением в плоскости спайности величины модуля упругости (модуль Юнга), являющегося мерой прочности кристалла на разрыв.

Полярные диаграммы прочности на срез и модуля упругости являются зеркально-симметричными. В нулевом направлении и под углом в 60° к нему модуль упругости имеет наибольшую величину. Самые низкие значения модуля упругости соответствуют направлениям, идущим под углами 90 и 30° к нулевому, т.е. в тех направлениях, в которых срезающее усилие максимально.

Такой характер полярных диаграмм срезающего усилия и модуля упругости свидетельствует о том, что при срезе происходит разрыв связей по направлению, перпендикулярному линии среза. Например, срезая кристалл по направлению оси nm, мы разрушаем связи, определяющие прочность кристалла при растяжении в направлении оси ng, которая перпендикулярна к nm; а по направлению оси ng, как видно из графика 3 рис.52, модуль растяжения минимален, что и приводит к уменьшению силы среза в этом направлении.

Таким образом, усилие среза определяется в конечном итоге величиной модуля упругости при растяжении в перпендикулярном к срезу направлении. Это позволяет сделать важный вывод о том, что при срезе и штамповке, когда величина зазора между ножами достаточно велика (относительный зазор больше 5%), основную роль играют деформации растяжения в направлении, нормальном к линии среза, а не деформации сдвига, как можно было ожидать.

Это объясняется тем, что при срезе практически невозможно осуществить условия, необходимые для чистого сдвига, вследствие неизбежного зазора между матрицей и пуансоном.

Одна из основных причин появления зазора – существование закруглений малого радиуса у режущих кромок инструмента, а также ограниченность технических возможностей при изготовлении вырубного инструмента.

Изучение изменения величины срезающего усилия с кристаллографическим направлением при небольших зазорах между пуансоном и матрицей (меньше 5% от толщины), а следовательно, при тщательно отполированных острых режущих ножах показало, что основную роль в срезе начинают играть деформации сдвига и силы, действующие в кристалле по плоскости сдвига. В этом случае срезающее усилие оказывается пропорциональным модулю сдвига.

Эксперимент обнаружил также другое важное свойство кристаллов слюды – сильную зависимость эффекта анизотропии и величины срезающего усилия от состояния поверхности кристалла.

Влияние обработки кристаллов на величину срезающего усилия

/по данным лаборатории ИГУ/

Способ обработки образцов перед штамповкой

Число испытаний

Величина срезающего усилия, кг/мм2

Разность срезающего усилия, кг/мм2

параллельно оси nm

перпендикулярно оси nm

Свежерасщепленные

30/30

28,9

34,3

5,3

Пребывание в дистиллированной воде в течение 24 часов

30/35

12,4

13,1

0,7

После расщепления прогрев 3 часа при 150-200°С

48/51

13,6

14,2

0,6

После расщепления нагревание в течение часа до 100°С

20/20

19,1

18,8

0,3

Сушка 3 часа при 150-200°С, затем пребывание во влажном воздухе 36 часов

45/45

16,7

17,4

0,7

Выдержка во влажном воздухе 72 часа после 3-часовой сушки при 150-200°С

45/45

18,1

19,9

1,7

Расщепление с бензольным клином

55/55

15,0

16,3

1,3

Пребывание в эксикаторе с хлористым кальцием 10 суток

50/50

16,2

17,6

1,4

Купание в воде, сушка и последующее пребывание на воздухе 10 суток

30/30

16,4

17,8

1,4

Протирка бензолом после 10-дневного пребывания на воздухе

50/50

17,7

18,3

0,6

Протирка трансформаторным маслом после 10-дневного пребывания на воздухе и обработки бензолом

30/30

16,5

18,6

2,1

Смазка трансформаторным маслом сразу после расщепления

30/30

17,1

18,3

1,2

Свежерасщепленные контрольные /в конце опытов/

50/50

28,1

34,1

6,0

В таблице представлены результаты испытаний на срез кристаллов мусковита с различным состоянием поверхности. Видно, что сушка кристаллов при сравнительно низких температурах, способная удалить с поверхности лишь адсорбированную воду, приводит к резкому уменьшению величины срезающего усилия (с 34 до 18 кг/мм2). Этот эффект связан с существенной ролью в механических свойствах полимолекулярной водной пленки на свежей поверхности кристалла.

Эта пленка проникает во се поверхностные трещины, залечивая их до сплошности и превращая кристалл в монолит. Специальная оценка сил связи через такие полимолекулярные слои воды показывает их значительную величину, сравнимую с величиной сил межпакетных связей.

Кристалл с залеченными микротрещинами оказывается менее дефектным и приближается по своим свойствам к идеальному. Его механические характеристики становятся наиболее высокими, легче выявляется соответствие между измеренной анизотропией и кристаллической структурой слюд.

Сушка кристалла ослабляет его поверхностную активность, удаляет значительную часть адсорбционной пленки. Микротрещины на поверхности кристалла обнажаются, и проявляется их отрицательное влияние на свойства кристалла.

Величина срезающего усилия при этом сильно уменьшается и практически слабо зависит от кристаллографического направления.

Подобное же действие производит бензол, который нейтрализует поверхностную активность кристалла и не позволяет образоваться адсорбционной водной пленке.

Понижение прочности на срез после купания образцов в воде можно объяснить расклинивающим действием воды в достаточно толстых слоях (эффект Дерягина). Этот эффект приводит к углублению и расширению микротрещин в первый момент обработки, а затем в нейтрализации активности поверхностей трещин, что исключает дальнейшее их залечивание за счет водной адсорбции.

Величина срезающего усилия изменяется с толщиной кристалла при постоянном относительном зазоре между пуансоном и матрицей. С ростом толщины от 100 до 300 мк наблюдается уменьшение срезающего усилия, которое может достигать 30%.

Рост силы среза с утоньшением кристаллов объясняется повышенной прочностью тонких кристаллов вследствие их меньшей собственной дефектности и деформируемости.

С увеличением скорости среза от нескольких сантиметров в секунду до 15-20 см/сек и неизменном зазоре между пуансоном и матрицей сила среза возрастает примерно в 1,5 раза (см. табл.). Это, по-видимому, обусловлено ростом ударных потерь энергии в момент среза.

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О СЛЮДЕ

В соответствии со спектральной классификацией астероидов выделяют довольно редкий тип углеродных астероидов класса G. Считается, что эти астероиды в основном сложены из низкотемпературных гидратированных силикатов, таких как слюда и глина с примесью углерода или органических соединений.
Впервые синтетическая слюда, фторфлогопит, была получена российским ученым К.Д. Хрущевым в 1887 году. Искусственная слюда почти прозрачна и по ряду характеристик превосходит природную.
Слюда мусковит прозрачна, имеет стеклянный блеск. Флогопит, как правило, темная слюда, просвечивающая лишь в тонких листах.
Термостойкость мусковита, т. е. температура, при которой он сохраняет свои свойства, достигает 700 градусов Цельсия. Для сравнения, температура плавления алюминия составляет 660 градусов, свинца — 327, серебра — 962.
В древнем индейском городе Теотиуакан в Мексике обнаружено странное сооружение, названное «Слюдяной храм». Подобных сооружений не обнаружено больше нигде в мире. Его уникальность заключается в том, что строение сверху прикрывает двойной слой слюды­ мусковита, назначение которого до сих пор неизвестно.
В годы Великой Отечественной войны потребность в высококачественной слюде, используемой в оборонной промышленности, резко увеличилась. Слюда была в остром дефиците: Карельские месторождения были захвачены врагом, Бирюсинское истощилось. Вся добыча мусковита велась только на Мамско­-Чуйском месторождении.
Слюда, обладая высокими диэлектрическими свойствами, значительной термостойкостью, способностью расщепляться на тончайшие листы, является непревзойденным электроизоляционным материалом, широко применяемым в радиотехнике.
В XVIII веке на ежегодных Иркутских ярмарках слюда занимала важное место наравне с традиционными сибирскими товарами — пушниной, кожей, серебром. Здесь она закупалась российскими купцами и вывозилась в Москву.
Слюда является одним из наиболее распространенных минералов земной коры. В обычных горных породах она встречается в виде мельчайших чешуек. Промышленные же месторождения, где кристаллы достигают крупных размеров, чрезвычайно редки.
Слово «слюда» («слуда») ­ исконно русское. Смысл выражения «слудиться» издревле означал ­«слоиться». Впервые слово «слуда» упоминается в «Остромировом евангелии» (1057 г.)
Слюда мусковит обладает высокой химической стойкостью. Соляная кислота его не разлагает при нагревании до 300 градусов Цельсия. Он также не восприимчив к щелочам.
Вторая половина XVIII ознаменовалась успехами в производстве стекла, снижением его цены. Это привело к падения спроса на слюду, сокращению ее добычи. Однако, иллюминаторы боевых кораблей продолжали делать из слюды, т. к. стеклянные не выдерживали залпов орудий.
Пластины слюды широко используются и как материал для дизайна. Так, слюда используется для каминных экранов, создавая декоративный эффект и одновременно защищая от воздействия высоких температур.
Во времена Петра I существовал большой спрос на слюду («московское стекло») со стороны Западной Европы и Америки, используемую для иллюминаторов боевых кораблей, который удовлетворялся, в основном, за счет Мамской слюды.
Если в бетон добавить слюду, это резко повысит его прочность, при этом снизится тепло­- и звукопроводность.
Слюда относится к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостойкости: при нагреве до нескольких сот градусов она сохраняет свои электрические свойства.
Выход готовых изделий из листовой слюды от добытого сырья составляет в среднем 8,25%. Это обуславливает достаточно высокую цену на изделия и их дефицит.
Мусковит — стратегическое сырье, применяется в 22 направлениях, «от косметики до космоса». 
Один из крупнейших в истории кристаллов мусковита был найден в Канаде. Его размер составил 1,95х2,85х0,6 м и весил он около 7 тонн.
Химический состав состав слюды доходит до 40 элементов. При этом резкие колебания в химическом составе наблюдаются даже в слюдах одного месторождения и, нередко, одного кристалла.
В России начала XXI века сложилась парадоксальная ситуация: держава, обладающая огромными ресурсами слюды, вынуждена покупать ее за границей, т. к. собственная добыча практически не ведется. История циклична: абсолютно идентичная ситуация наблюдалась в начале прошлого столетия.
Название разновидности слюды «вермикулит» произошло от латинского слова «червячок», т. к. при нагревании он образует длинные червеобразные столбики и жгуты.
Ни древние греки, ни римляне не были знакомы со слюдой. В ученых трактатах Западной Европы стали называть слюду «Витрум Московитикум», т. е. стекло Московии. Позднее название упростилось, стало короче ­ «московит» и, наконец, в минералогии укрепилось как «мусковит»
За точку отсчета слюдяного промысла в Мамско­-Чуйском районе принято считать август 1689 года, когда Якутский воевода Зиновьев выдал казаку Афанасию Пущину  «Наказную память», которой он обязывался «...сыскать и промыслить по Витиму реке слюды...»
В середине XVII века цена листовой слюды варьировалась от 20 до 50 копеек за лист. Для сравнения, иностранные купцы того времени платили за 1000 белок 16 рублей, за пуд черной икры — 1 рубль.