Элементы механики хрупкого разрушения

ЭЛЕМЕНТЫ МЕХАНИКИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ [c.325]

Элементы механики хрупкого разрушения [c.325]

Построенные в предыдущем параграфе особые решения для угла а = п находят широкое применение в механике хрупкого разрушения, к изложению элементов которой и перейдем. [c.325]

Изучение явлений хрупкого разрушения материалов стало особо актуальным в связи с фактами разрушения крупных конструкций именно по хрупкому механизму (путем распространения трещины), несмотря на то что условия их прочности в рамках классических подходов (по упругому или пластическому состоянию) были удовлетворены. Эти факты привели к созданию методов и средств определения сопротивления конструкционных материалов хрупкому разрушению, а также к разработке теории прогнозирования работоспособности тел (элементов конструкций), ослабленных дефектами типа трещин. Результаты исследований и рекомендаций в этой области науки о прочности материалов и конструкций составляют теперь ее новую ветвь — механику хрупкого разрушения. Усилиями многих ученых уже достигнут значительный прогресс как в области теоретических трактовок и количественного описания явлений хрупкого разрушения, так и в области инженерных приложений теоретических результатов. [c.6]

Расчет на прочность и долговечность элементов конструкций в рамках механики хрупкого разрушения можно разбить на следующие этапы [c.10]

Механика хрупкого разрушения применима, если / > ру. Другое ограничение связано с наличием у реальных конструкционных материалов структуры, размер элементов которой сопоставим с размером трещины. Для поликристаллических материалов характерный размер структуры р имеет порядок размера зерна, для композитов на основе волокон —порядок диаметра волокна и т. п. Область, для которой выполнено условие / > р, но нарушено условие / > Ру, является предметом нелинейной механики разрушения. Чтобы описать зависимость а (/) при небольших значениях /, необходимо детально рассмотреть концевые зоны, в которых происходит развитие пластических деформаций. Стремление сохранить в качестве основной характеристики материала трещиностойкость Кгс приводит к различным полуэмпирическим соотношениям. Вместе с тем размеры устойчивых трещин обычно составляют десятки и даже сотни миллиметров, а эксплуатационные номинальные напряжения, как правило, невелики по сравнению с пределом текучести, поэтому область применения механики хрупкого разрушения в практических расчетах довольно широка. [c.107]

Развитие механики твердого тела на этих стадиях способствовало новой постановке вопросов сопротивления материалов, расчета прочности и долговечности элементов конструкций. Возникла вероятностная трактовка расчета на сопротивление усталости по признаку возникновения трещины, разработаны методы линейной механики разрушения для расчета на сопротивление хрупкому разрушению, методы расчета на сопротивление повторным пластическим деформациям в связи с явлениями усталости в пределах малого числа циклов. Эти методы все шире используются при проектировании высоконагруженных конструкций, они получают отражение в нормативных материалах промышленности. [c.5]

Рассматривая данные задачи, следует помнить, что систематизированный статистический анализ случаев хрупких разрушений деталей машин и элементов конструкций при низких температурах, осуществляемый с единых позиций, дает богатый материал для практического решения многих вопросов. Для принятия действенных мер по повышению хладостойкости конструкций важное значение имеют результаты фундаментальных исследований, направленных на установление физической картины протекающих процессов, а также на поиски различных критериев оценки склонности конструкций к хрупкости с позиций линейной и нелинейной механики разрушения. [c.183]

Первыми в механике макротрещин явились работы Гриффитса ), в которых делается попытка объяснить аномально низкую прочность в случае хрупкого разрушения материала при растяжении развитием при определенных условиях трещин, имевшихся в нем еще до приложения нагрузки. Позднее, примерно, с пятидесятых годов, интерес к этому подходу возрос. Появились работы как за рубежом, так и у нас, в которых первоначальные идеи получили дальнейшее развитие. Известные результаты в практическом отношении пока скромны, однако они уже сейчас. находят применение в технике. В настоящем параграфе кратко излагаются некоторые элементы теории трещин. [c.574]

Наиболее опасная ситуация имеет место при хрупком и квази-хрупком разрушении, когда стадия стабильного развития трещины и сопутствующая пластическая деформация резко уменьшаются и происходит лавинообразное разрушение конструкции, характеризуемое минимальной работой разрушения (см. 11.5). Это состояние может возникнуть при эксплуатации оборудования при низких температурах (ниже минимальных температур, разрешенных для данных марок сталей), при деградации механических свойств, сопровождающейся снижением вязкости разрушения (охрупчивания) материала. В механике разрушения (механике трещин) в качестве основного параметра, определяющего трещиностойкость конструкций, используют коэффициент интенсивности напряжений АГ,, под которым понимается относительный рост максимальных напряжений в вершине трещины. Коэффициент Ку учитывает размер и форму элемента конструкции В, протяженность трещины I и уровень номинальных напряжений Он, т. е. [c.213]

Настоящая монография является одной из попыток среди такого рода работ подойти к проблеме разрушения, базируясь на системном подходе, лежащем на стыке механики деформируемого твердого тела, механики разрушения и физики прочности и пластичности. В книге изложены разработанные авторами физико-механические модели хрупкого, вязкого и усталостного разрушений, позволяющие анализировать повреждение материала при сложном нагружении в условиях объемного напряженного состояния. Приведены подходы к описанию кинетики трещин при статическом, циклическом и динамическом нагружениях элементов конструкций. Кроме того, в работе рассмотрены методы и алгоритмы численного решения упруговязкопластических задач при квазистатическом (длительном и циклическом) и динамическом нагружениях. [c.3]

Таким образом, использование экспериментальных методов в сочетании с расчетными оценками на базе механики разрушения позволяет дать более обоснованную оценку склонности сталей к слоистому растрескиванию. Данная информация, наряду с рекомендациями по конструктивному совершенствованию элементов сварных конструкций и технологии сварки, является основой для оптимального проектирования конструкций с повышенным сопротивлением возникновению и развитию слоисто-хрупких и слоисто-вязких разрушений. [c.106]

Аналогичное явление свойственно композитам, у которых матрица хрупкая, а армирующие элементы обладают высокой пластичностью (например, хрупкая керамика, армированная короткими металлическими волокнами). В этом случае локализация повреждений происходит благодаря высокой деформативности армирующих элементов. Финальному разрушению композита, как правило, предшествует накопление повреждений на уровне структуры, т. е. иа уровне волокна, включения и т. п. Поэтому хорошо разработанные методы механики тел с трещинами, в частности, линейной механики разрушения, можно лишь ограниченно применять к композитам. Значительное место в механике разрушения композитов занимают модели, основанные на анализе накопления повреждений на уровне структуры композита. В дальнейшем эти повреждения (в отличие от макроскопических трещин) будут называться микроповреждениями. [c.165]

В учебном пособи отрахмтся современные концепции механики хрупкого разрушения, включая ранее не опубликованные результаты, полученные в исследованиях авторов. Приводятся критерии линейной и нелинейной механики развития трещин, позволяющие установить докритическое и критическое состояние элементов конструкций с трещинами. Изложены современные аффективные методы определения параметров разрушения и трещинсстойкости материалов. [c.2]

Последующие этапы расчета на прочность и долговечность элементов конструкций в рамках механики хрупкого разрушения связаны с решением соответствующих задач о предельно-равновесном состоянии тел с трещинами (задач теории трещин) и с экспериментальным определением характеристик сопротивления материала распространению в нем трещины. Решения двумерных задач такого класса в рамках указанных моделей эффективно осуществляют на основе известных методов Колосова — Мусхели-швили [72] или других, разработанных в настоящее время методов в частности численных методов. Эти методы с достаточной [c.11]

Карзов Г. П., Марголин Б. 3., Швецова В. А. Деформационно-силовой критерий хрупкого разрушения и трещиностойкость перлитных сталей// Трещиностойкость материалов и элементов конструкций. Тезисы докл. III Всесоюэн. симпозиума по механике разрушения. Житомир, 30 окт.— 1 нояб. [c.369]

Оценка сопротивления машин и конструкций хрупкому разрушению, базирующаяся на силовых и энергетических критериях линейной механики разрушения, оказалась возможной для несущих элементов, изготавливаемых из материалов повышенной прочности и низкой пластичности (низколегированные высокопрочные закаленные и низкоотпущенные стали для авиационных и ракетных конструкций, упрочненные алюминиевые и титановые сплавы для авиационных, судовых и энергетических конструкций). В этом случае номинальные разрушающие напряжения в ослабленных сечениях не превышают предела текучести конструкционного материала, который обычно составляет 0,90-0,95 предела прочности. [c.69]

Возможности применения параметров механики разрушения. Параметры Ki и/или 8с зависят от температуры и скорости нагружения. Кроме того, Ki и/или бс зависят от размеров образца, в котором должно быть создано плоскодеформированное состояние. В этом случае эти параметры будут однозначной мерой сопротивления материала разрушению. Отсюда Ки, бс данного материала могут быть использованы для расчетов конструкционных элементов, имеющих потенциальные дефекты (трещины). Эксперименты по определению Ki предусматривают нахождение наибольшей нагрузки, вызывающей хрупкое разрушение. [c.102]

Известны многочисленные примеры хрупкого разрушения во время службы различных конструкций и деталей машин. Описаны аварии судов, мостов, турбогенераторов, сосудов высокого давления и газопроводов [1—8], ущерб от которых весьма велик. В этой книге рассмотрены только основные особенности, объединяющие эти разрушения. В первую очередь это присутствие значительных концентраторов напряжений в крупных деталях и система нагружения, не позволяющая релаксировать приложенным напряжениям в момент начала роста образовавшейся трещины. Хрупкие разрушения стальных конструкций происходят главным образом при низких температурах, особенно, если элементы конструкции имеют толстые сечения, но разрушаться хрупко (в инженерном смысле этого слова) могут даже конструкции из элементов очень тонких сечений, выполненных из стали и алюминиевых сплавов, например, разрушение обшивки фюзеляжа самолета Комета (обнаружены большие усталостные трещины). Во всех случаях охрупчивающие дефекты, возникающие при производстве материала, ухудшают ситуацию. Разрушение какого-либо образца может произойти хрупко (т. е. до наступления общего течения), если он содержит концентратор напряжений, локализующий область образования трещины. Поэтому нас будут интересовать главным образом механизм зарождения разрушения перед фронтом существующей трещины или другого концентратора напряжений и связь этого механизма с системой приложенных напряжений. Перед детальным изучением этих вопросов в последующих главах и до перехода к механике разрушения полезно уделить внимание традиционным старым методам определения сопротивления быстрому разрушению, чтобы выяснить их ограниченность. [c.15]

К настоящему времени в СССР и за рубежом усилиями многих ученых осуществлены важные исследования явлений хрупкого разрушения твердых тел как в плане решения соответствующих краевых задач механики и создания физически более обоснованных критериев разрушения, так и в области разработок методов оценки склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению (см., например, обзоры в работах [9, 82, 118, 145]). Необходимость в таки исследованиях обуслоЬ-лепа, с одной стороны, тем, что высокопрочные конструкционные материалы (например, жаропрочные сплавы, упрочненные стали, металлокерамические материалы, некоторые пластмассы), как правило, являются хрупкими материалами, т. е. такими, которые уже при нормальных температурах и малых скоростях нагружения разрушаются путем распространения трещины без предварительных пластических деформаций макрообъемов тела. (При низких температурах, повышенных скоростях нагружения, воздействии некоторых поверхностно-активных сред, наводороживании и в других условиях, приводящих к ограничению пластического течения конструкционного материала, его разрушение путем распространения трещины доминирует). С другой стороны, реальные условия эксплуатации конструкции всегда предусматривают наличие некоторой жидкой или газовой среды. Эта среда проникает в деформируемое тело (элемент конструкции) через его структурные несовершенства — дефекты (макро- или микротрещины, границы зерен, включений) и особенно интенсивно взаимодействует с участками тела, деформированными за предел упругости. К таким участкам относятся окрестности резких концентраторов напряжений (трещины, остроконечные полости или жесткие включения и др.). Именно в окрестности подобных дефектов среда, изменяя физико-механические свойства деформируемого материала, в первую очередь его сопротивление зарождению и развитию трещины, оказывает существенное влияние на служебные свойства (несущую способность) рабочего тела в целом. [c.9]

Формулы (4.3), (4.5) и (4.6) описывают все характерные особенности моделей хрупкого разрушения. Эти формулы содержат либо объем V, либо в более обш,ем случае меру М, поэтому распределение разрушающего напряжения зависит от абсолютного размера образца. Такое явление называют масштабным эффектом прочности, подразумевая под этим отступление от классических законов подобия, согласно которым разрушающее напряжение не должно зависеть от абсолютных размеров образца или детали. В действительности это отступление является кажущимся. Причина масштабного эффекта прочности состоит в том, что модель Вейбулла содержит дополнительный параметр, имеющий размерность длины (в классической механике деформируемого твердого тела такого параметра нет). Этот параметр — характерный размер р структурного элемента — входит в формулу (4.1) через число л структурных элементов в единице объема, а в формулы (4.3) и другие — через объем структурного элемента Уо- При этом р Уо . Если объел Vo заменен объемом стандартного o6pa3ifa Vs, то размер р входит в величину г , которая принимает смысл характерной прочности образца. [c.124]

Гл. 19 относится к механике разрушения. В современной литературе ча< то под механикой разрушения понимается один узкий ее раздел, а именно теория распространения треш,ин хрупкого и квазихрупкого разрушения. Весь формальный аппарат для этого подготовлен ранее, поэтому здесь дается лишь некоторая сводка известных уже читателю результатов и практические выводы из них. Большая же часть главы относится к условиям прочности хрупких материалов, теории накопления повреждений при длительном действии нагрузок при высоких температурах. Здесь же сообщ ены краткие сведения об усталостном разрушении. Автор полагает, что вопросы прочности как в принципиальном, так и в прикладном аспекте составляют необходимый элемент образования механика-универсанта и механика-инженера, и сознает совершенно недостаточный объем излагаемого им материала, но в заглавии книги фигурирует только слово механика , но не прочность , не расчеты , не сопротивление материалоЕ . [c.15]

В восемнадцати предшествующих главах были изложены различные разделы механики деформируемого твердого тела, при этом практическая направленность каждого из них не очень акцентировалась. Но основная область приложения механики твердого тела — это оценка прочности реальных элементов конструкций в реальных условиях эксплуатации. С этой точки зре-нпя различные главы приближают нас к решению этого основного вопроса в разной степени. Классическая линейная теория упругости формулирует свою задачу следуюш им образом дано пекоторое тело, на это тело действуют заданные нагрузки, точки границы тела претерпевают заданные перемещения. Требуется определить поле вектора перемещений и тензора напряжений во всех точках тела. После того как эта задача решена, возникает естественный и основной вопрос — что это, хорошо или плохо Разрушится сооружение или не разрушится Теория упругости сама по себе ответа на этот вопрос не дает. Правда, зная величину напряжений, мы можем потребовать, чтобы в каждой точке тела выполнялось условие прочности, т. е. некоторая функция от компонент о.-,- не превосходила допускаемого значения. В частности, можно потребовать, чтобы нигде не достигалось условие пластичности, более того, чтобы по отношению к этому локальному условию сохранялся некоторый запас прочности, понятие о котором было сообщено в гл. 2 и 3. Мы знаем, что для пластичных материалов выполнение условия пластичности в одной точке еще не означает потери несущей способности, что было детально разъяснено на простом примере в 3.5. Поэтому расчет по допустимым напряжениям для пластичного материала безусловно гарантирует прочность изделия. Для хрупких материалов условие локального разрушения отлично от условия наступления текучести и локальное разрушение может послужить началом разрушения тела в целом. Поэтому расчет по допускаемым напряжениям для хрупких материалов более оправдан. Аналогичная ситуация возникает при переменных нагрузках и при действии высоких температур. В этих условиях даже пластические материалы разрушаются без заметной пластической деформации и микротрещина, возникшая в точке, где 42 [c.651]

Для соответствующих предельных состояний (хрупкого и квазихрупкого) по данным о критических напряжениях ак для образцов с надрезом (кривая 2) производят вычисление критических напряжений для элемента конструкции. В области А при вычислениях в качестве критерия разрушения используют критическое значение коэффициента интенсивности напряжений Ки или раскрытия трещины бк- Определение для температуры Т = — Тэ величин Стк при известном Ki проводится по уравнениям (2.9) линейной механики разрушения (ЛМР) и температурным зависимостям Ki типа (3.4). В области Б (нелинейная механика разрушения — НЛМР) в качестве критерия разрушения используют критическое напряжение Стк, зависящее от температуры Т [по уравнению (3.6)], размеров сечения [по уравнению (3.7)] и размеров трещины [по уравнению (3.8)]. Величины КгеП [c.66]

Иногда целесообразна оценка динамической трещиностойко-СТИ1 т. е. трещиностойкости материалов при нагружении с большими скоростями. Кроме того что многие детали машин и элементы конструкций работают в условиях ударных нагрузок и тем самым привлекают к себе внимание специалистов в области механики разрушения и конструкторов, создаюш их образцы новой техники, интерес к динамической треш иностойкости определяется также и развитием теории остановки трещин [235, 243]. Как известно, в хрупких материалах трещина может перемещаться с большой скоростью, поэтому для описания кинетики ее распространения и остановки необходимо учитывать динамические эффекты. [c.147]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...