Прочность и сопротивлениеразрушению
Механика развития трещин связана с изучением законов разделения кристаллического или континуального тела на части под действием механи- ческих усилий или иных внешних причин. Далее будем иметь в виду конти- нуальное тело, наделённое феноменологическими свойствами, определяе- мыми экспериментально на стандартных образцах.
Разрушение относится к одному из видов нарушения прочности, кото- рые могут происходить в результате: 1) чрезмерной (упругой или пластиче- ской) деформации, 2) потери устойчивости, 3) разрушения.
Разрушение может быть частичным или полным. При частичном раз- рушении в теле возникают повреждения материала в виде отдельных тре- щин или в виде распределённых по объёму дефектов материала, приводя- щих к изменению (в неблагоприятную для прочности сторону) механиче- ских свойств материала. При полном разрушении происходит разделение тела начасти.
Существуют следующие основные виды разрушения:
1. Пластическое разрушение.Происходит после существенной пла- стической деформации, протекающей по всему (или почти по всему) объёму те- ла. Разновидность пластического разрушения — разрыв после 100%-го сужения шейки при растяжении, происходящий в результате исчерпания способности материала сопротивляться пластическойдеформации.
2. Хрупкое разрушение.Происходит в результате распространения ма- гистральной трещины после незначительной (менее 1-2%) пластической де- формации, сосредоточенной в приповерхностной зоне трещины. При идеально хрупком разрушении можно заново составить тело прежних размеров из его частей, полученных в процессе разрушения, без зазоров между ними.Хруп-
|
|
|
кое разрушение чаще всего происходит по определённым кристаллографи- ческим плоскостям внутри зёрен — так называемое транскристаллитное (внутризёренное) разрушение. Транскристаллитное разрушение может реализоваться сколом и срезом, отличающихся видом поверхностей разру- шения. Разрушение срезом не имеет кристаллографически выраженной на- правленности. Поверхность разрушения, как правило, серая и волокнистая. Поверхность разрушения при разрушении сколом — светлая и кристалличе- ская. При определённых условиях (низкие температуры, большое количест- во дисперсных фаз по границам зёрен или обогащение этих границ примеся- ми, ослабляющими связи) металлы и сплавы могут хрупко разрушаться и по границам зёрен — так называемое интеркристаллитное (межзёренное) разрушение.
Квазихрупкое разрушение предполагает наличие пластической зоны перед краем трещины и наклёпанного материала (состояние материала после предварительной пластической деформации) у поверхности трещины (ос- тальной, и значительно больший по величине, объём тела находится при этом в упругом состоянии). В технике квазихрупким называют разрушение, при котором разрушающее напряжение в нетто-сечении выше предела теку- чести, но ниже пределапрочности.
|
|
|
3. Усталостное разрушение.Происходит при циклическом (повторном) нагружении тела в результате накопления в нём необратимых повреждений, приводящих к образованию и развитию трещины. Излом макроскопически хрупкий, однако, у поверхности излома материал существенно наклёпан. Раз- личают усталость и малоцикловуюусталость.
Усталость характеризуется номинальными напряжениями, меньшими предела текучести, повторное нагружение макроскопически происходит в уп- ругой области, число циклов до разрушения велико.
Малоцикловая усталость (иначе повторно-статическое нагружение) ха- рактеризуется номинальными напряжениями, большими пределатекучести,
при каждом цикле нагружения возникает макроскопическая пластическая де- формация, число циклов до разрушения сравнительно невелико.
Разрушение приползучести.
Коррозионноеразрушение.
Трещина начинает развиваться задолго до полного разрушения, она возникает и даже распространяется до исчерпания конструкцией своей несу- щей способности. Поэтому знание законов распространения трещины и соз- нательное их использование позволяет судить о несущей способности дета- ли.
|
|
|
Достижения в исследовании разрушения позволяют сделать следую- щиевыводы:
1. Разрушение в общем случае есть не критическое событие, а физиче- ский процесс зарождения, объединения и роста трещин. Этот процесс закан- чивается потерей устойчивости одной из такихтрещин.
2. Субмикро- и микротрещины – обычный элемент дефектной структуры, подобный дислокациям и вакансиям, а не следствие недостаточно хорошей технологии изготовленияматериала.
Некоторые определения:
Свободной называют поверхность, имеющую избыточную удельную энер- гию, на которую уже не действуют силы со стороны других поверхностей кристалла.
Разрушение – появление новых или увеличение площади старых свободных поверхностей в кристалле.
Трещина – участок твёрдого тела, ограниченный свободными поверхностями (за исключением внешней).
Задачи механикиразрушения
 |
Рис. 1.4. Инженерная задача: а – кривая роста трещины; б – кривая остаточной прочности
|
|
|
Рассмотрим конструкцию, в которой развивается трещина. При действии циклических нагрузок или при совместном воздействии нагрузок и окружаю- щей среды с течением времени эта трещина будет расти. Чем длиннее тре- щина, тем большую концентрацию напряжений она вызывает. Это означает, что скорость развития трещины с течением времени будет увеличиваться. Раз- витие трещины как функцию времени можно представить возрастающей кривой, как показано на рис. 1.4, а. Из-за наличия трещины прочность конст- рукции уменьшается; она становится меньше, чем исходная прочность, на ко- торую была рассчитана. Прочность конструкции уменьшается с ростом размера трещины, как показаносхематически на рис. 1.4, б. Через некоторое время прочность настолько уменьшится, что конструкция уже не будет способна вы- держать случайные высокие нагрузки, которые могут возникнуть при экс- плуатации. С этого момента конструкция легко разрушается. Если такие случайные высокие нагрузки не возникают, то трещина продолжает расти до тех пор, пока прочность не становится столь низкой, что разрушение происхо- дит при нормальных эксплуатационных нагрузках. Проектировщик должен предвидеть возможность растрескивания и, следовательно, допускать воз- можность разрушения конструкции. Это означает, что конструкция может иметь лишь ограниченную долговечность. Конечно, вероятность разрушения должна быть достаточно низкой в течение всего времениэксплуатации. Для
обеспечения надёжности конструкции необходимо предсказать, как быстро бу- дут расти трещины, и как быстро будет уменьшаться остаточная прочность. Осуществление таких предсказаний и развитие методов их получения явля- ются предметом механики разрушения.
Механика разрушения должна ответить на следующие вопросы:
1. Какова зависимость прочностиот размератрещины?
2. Какой размер трещины может быть допустим при ожидаемых эксплуата- ционных нагрузках, т. е. каков критический размертрещины?
3. Как долго будет продолжаться рост трещины от определённого начально- го размера до критическогоразмера?
4. Какой размер раковин допустим в начальный момент эксплуатации конст- рукции?
5. Как часто следует проверять наличие трещин в конструкции?
 |
Рис. 1.5. Отрасли знания, охватываемые механикой разрушения
Ввиду отсутствия единой теории процесса разрушения изучают различ- ные закономерности этого явления на разных масштабных уровнях. Линейные масштабы явления разрушения проиллюстрированы на рис. 1.5. В пределах каждой масштабной области разрушение должно изучаться в соответствии с моделью, адекватно отражающей строение материала и учитывающей гранич-
ные условия со стороны как левых, так и правых соседних (по масштабной шкале) областей.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 569; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!