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.
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»
Слюда относится к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостойкости: при нагреве до нескольких сот градусов она сохраняет свои электрические свойства.
Если в бетон добавить слюду, это резко повысит его прочность, при этом снизится тепло­- и звукопроводность.
Название разновидности слюды «вермикулит» произошло от латинского слова «червячок», т. к. при нагревании он образует длинные червеобразные столбики и жгуты.
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.
Выход готовых изделий из листовой слюды от добытого сырья составляет в среднем 8,25%. Это обуславливает достаточно высокую цену на изделия и их дефицит.
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.
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...»
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.
Слово «слюда» («слуда») ­ исконно русское. Смысл выражения «слудиться» издревле означал ­«слоиться». Впервые слово «слуда» упоминается в «Остромировом евангелии» (1057 г.)
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.
Слюда, обладая высокими диэлектрическими свойствами, значительной термостойкостью, способностью расщепляться на тончайшие листы, является непревзойденным электроизоляционным материалом, широко применяемым в радиотехнике.
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.
Слюда мусковит обладает высокой химической стойкостью. Соляная кислота его не разлагает при нагревании до 300 градусов Цельсия. Он также не восприимчив к щелочам.
Мусковит — стратегическое сырье, применяется в 22 направлениях, «от косметики до космоса». 
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.
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.
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.
Слюда мусковит прозрачна, имеет стеклянный блеск. Флогопит, как правило, темная слюда, просвечивающая лишь в тонких листах.
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.
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.
Впервые синтетическая слюда, фторфлогопит, была получена российским ученым К.Д. Хрущевым в 1887 году. Искусственная слюда почти прозрачна и по ряду характеристик превосходит природную.
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.