ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы О хрупком разрушении и вязкости из "Сопротивление материалов " Мы с самого начала строго разграничили два вопроса возникновение пластических деформаций и начало разрушения. Все, что до сих пор говорилось, относилось в основном к первой, относительно четко и определенно поставленной задаче. Что же касается второго вопроса, то уже сам термин разрушение такой четкостью не обладает и является более сложным и менее определенным понятием. [c.311] Сначала надо, по-видимому, условиться о разрушении чего идет речь — разрушении конструкции или материала. [c.311] Под разрушением конструкции в широком смысле слова следует понимать потерю функциональных свойств, т. е. переход в такое состояние, когда конструкция по тем или иным причинам перестает удовлетворять своему назначению. Это может быть возникновение больших перемещений и необратимое изменение формы, это может быть износ или выработка посадочных поверхностей и, наконец, излом или разрыв ответственного узла. С другой стороны, образование видимой невооруженным глазом трещины, даже сравнительно большой, не всегда рассматривается как разрушение. Словом, понятие разрушения конструкции тесно смыкается с понятием ее надежности. Естественно, что со столь широких позиций обсуждать вопросы разрушения в курсе сопротивления материалов было бы неуместно. [c.311] Вопрос становится более определенным и конкретным, когда мы рассматриваем раг рушение как свойство материала. Но и эта проблема настолько широка, что ее постановка также требует естественных ограничений, поскольку разрушение материала в различных условиях может проявляться в существенно различных формах. Так, в частности, разрушение при циклически изменяющихся напряжениях (усталостное разрушение) целесообразно рассматривать как некоторое самостоятельное явление, хотя оно и является лишь частным проявлением общих свойств материала (к этому вопросу мы вернемся в гл. И). Большие затруднения обнаруживаются при попытке сопоставить разрушение при различной последовательности приложения сил. Эти вопросы также заслуживают особого рассмотрения. [c.311] Если придерживаться той точки зрения, что за разрушение несет ответственность напряженное состояние в точке, то тогда под разрушением самого материала следует понимать образование первых микротрещин в окрестности рассматриваемой точки. Формально, вроде бы, ясно. Но верно ли Ведь предположительно в каждом материале и без того имеется великое множество затаившихся трещин. Они приходят в движение только под действием высоких напряжений причем не напряжений в точке, не местных напряжений, а тотальных — охватывающих значительные объемы на пути развития трещин. [c.312] Как видим, вопросов можно поставить много. Из таких вопросов и возникающих сомнений и создается замысловатый рисунок наших представлений о механизме разрушения. [c.312] Остановимся на модели Гриффитса. Это — модель разрушения, построенная на энергетической оценке развития трещин. [c.312] Представим себе, что в краевой области плоского растянутого образца существует сквозная поперечная трещина (рис. 322). Длина трещины с много меньше поперечных размеров стержня. Во всем объеме образца напряжения распределены равномерно. Исключение составляет область, непосредственно примыкающая к трещине,— у края трещины возникает местный пик напряжений, а сверху и снизу (в заштрихованной области) напряжения будут уменьшенными. У поверхности трещины они, естественно, равны нулю. [c.312] Длине трещины с сообщим малое приращение Ас и проследим за изменением энергии системы. Увеличение длины трещины приведет к увеличению заштрихованной области, т. е. область пониженных напряжений расширится и освободится часть упругой энергии образца. Это уменьшение энергии будет пропорционально произведению Ас на величину внешней поверхности заштрихованного объема, а та, в свою очередь, пропорциональна с и толщине образца t Учтем также, что упругая энергия пропорциональна aV . [c.312] Твердые тела, как и жидкие, обладают поверхностным натяжением. Оно у конструкционных материалов раз в 10—20 больше, чем, например, у воды. Но поскольку твердые тела обладают жесткостью, поверхностное натяжение не проявляет себя столь очевидным образом, как в жидкостях, и мы его не замечаем. [c.313] Поверхностное натяжение обладает энергией. Чтобы образовать свободную поверхность, надо произвести работу. Пусть у — работа, пошедшая на образование единицы свободной поверхности материала. Если длина трещины увеличилась на Ас, то свободная поверхность увеличится на 2Мс. Лишняя двойка появляется в связи с тем, что трещина имеет две поверхности — верхнюю и нижнюю. Работа, пошедшая на удлинение трещины, составит Y -2t Ас. [c.313] Коэффициент А в ряде случаев может быть вычислен. Для поперечных трещин он изменяется незначительно — в полтора-два раза. В часгности, в рассматриваемом примере плоского напряженного состояния Л предположительно равно я. [c.313] Таким образом, модель Гриффитса представляется качественно правдоподобной. Можно было бы пойти и дальше и попытаться дать количественную оценку коэффициента А для различных напряженных состояний и различных форм возникающих трещин. Это неоднократно делалось, и результаты числовых подсчетов, проведенных для хрупких материалов типа стекла, оказались вполне соответствующими реальности. Вместе с тем, однако, выяснилось, что механизм разрушения выглядит значительно сложнее, чем предполагается в рассмотренной схеме. [c.314] В схеме Гриффитса трещине сообщается малое возмущение. Затем мы, заняв позу наблюдателя, смотрим, как она будет вести себя дальше. При этом делается достаточно разумное предположение, что в своем развитии трещина ведет себя так же, как и вначале. И, наверное, так и было бы, если бы структура материала была однородной. Но стронувшаяся с места трещина может в своем движении оказаться тут же блокированной соседним кристаллом или вкраплением, и для того чтобы принудить ее к дальнейшему развитию, необходимо существенно поднять уровень напряжений. И, наконец, при выводе соотношения (8.10) было сделано негласное предположение, что освобождающаяся упругая энергия полностью идет на образование свободной поверхности, а роль пластических деформаций несущественна. [c.314] Металловеды и инженеры-механики часто по отношению к металлам используют прилагательное вязкий — вязкий металл, вязкая сталь. Вязкость—это не просто пластичность, это свойство структуры, ее способность блокировать развитие трещин. [c.314] Рассмотрим простой пример. Стекольщик режет стекло, нанося на его поверхность острую риску. Затем по этой риске стекло ломается. Обычно это объясняют хрупкостью материала. И это правильно. Но важно и другое. Структура материала не препятствует свободному развитию трещины. [c.314] В истории развития цивилизации можно найти массу подобных примеров, начиная с применявщегося в незапамятные времена замеса глины с соломой и волосом для изготовления кирпича и кончая легирующими добавками к сталям. И эти примеры, конечно, не исключение. Сама природа в своей длительной эволюции выработала множество рациональных структур, обладающих свойствами вязкости древесина, кости и зубы животных, кожа и др. [c.315] За количественную меру вязкости удобно принять работу, которая затрачивается на образование трещины. Конечно, эту работу следует отнести к площади, охваченной трещиной. В случае совершенно хрупкого материала эта работа была обозначена нами через 2у. Заменим обозначение на Yp. полагая, что в Ур входят все энергетические затраты — работа на образование свободных поверхностей, а главное — работа на пластическое деформирование материала на фронте развития трещины. Следует заметить, что 7р для многих материалов может оказаться в тысячи раз больше, чем 2у. [c.315] Показатель вязкости или, как еще его называют, тре-щиностойкости, определяется экспериментально путем испытания ПОЛОСЫ с заранее сделанным острым надрезом. При нагружении замечается напряжение, при котором от края надреза начинает распространяться трещина. Затем по формуле (8.13) определяется показатель имеющий не совсем обычную размерность МН/м / . [c.316] Показатель вязкости, хотя и представляется объективной энергетической характеристикой свойств материала, тем не менее зависит от условий испытания и определяется с широким разбросом. Поэтому, если обратиться к числовым значениям, следует привести только некоторые ориентировочные данные. Например, дюраль и мартенсит-ная сталь относятся к вязким материалам /С = 110МН/м /, Для меди и титана К, .=90 MH/м / Эпоксидная смола имеет низкую вязкость 2 МН/м /. [c.316] Вернуться к основной статье