Г л а в а 2. Механика распространения трещин

Заметим в заключение, что большие усилия и большие успехи в области механики распространения трещин привели к тому, что зачастую к ней сводится вся механика разрушения. На самом деле предмет механики разрушения гораздо шире. В ряде случаев, например, в металлах под действием нагрузки при высокой температуре, разрушение носит рассеянный характер, во всем объеме на границах зерен накапливаются поры, сливаются между собой и наконец объединяются в макротрещину. Здесь макротрещина — это лишь последний, видимый результат скрытого от невооруженного глаза, но хорошо видного даже под оптическим микроскопом процесса накопления повреждений. По-видимому, аналогичный характер разрушения наблюдается в некоторых полимерах, по здесь для обнаружения микроповреждений необходимы более тонкие методы. [c.12]

Механика распространения трещин (линейная механика разрушения). Здесь на основе глобальной идеи Гриффитса (1921) развиваются методы повышения сопротивления конструкции с треш.иной. Конструкции больших размеров (как, например, роторы турбин, ядерные реакторы) всегда имеют в исходном состоянии трещины, особенно если они собирались с помощью сварки. Данная теория получила развитие в трудах английских и американских авторов. С точки зрения практики, она позволяет дать стандартизированные рекомендации по увеличению константы материала, называемой критическим коэффициентом интенсивности ). [c.8]

Длительность первого периода может составлять от 50 до 80% времени полного срока службы образца, почему нам и представляется, что механика рассеянного разрушения является не менее интересной теорией, чем механика распространения трещин. [c.8]

В настоящей главе даются лишь начальные представления об условиях распространения трещин, основанные на решениях теории упругости и составляющие так называемую линейную механику разрушения. В основном они справедливы лишь тогда, когда зона нелинейных упругопластических деформаций у острия трещины невелика по сравнению с ее длиной. В данной главе можно познакомиться с явлением роста трещины и с рядом характеризующих его понятий. Это позволит в случае необходимости самостоятельно воспользоваться обширной литературой, существующей по механике разрушения, как линейной, так и нелинейной [см. 4, И, 24, 38 и др.]. [c.370]

Механика разрушения как наука о равновесии и распространении трещин в деформируемых телах бурно развивается под влиянием все более глубокого проникновения в ее арсеналы численных методов решения задач механики, с одной стропы, и привлечения результатов, полученных в физике твердого тела,— с другой. Здесь актуальными являются проблемы зарождения и развития усталостных трещин, долговечность конструкций в агрессивных средах, распространение трещин в композитных материалах и др. [c.389]

Критерий начала распространения трещины (называемый иногда критерием разрушения), составляющий основу механики разрушения, не следует из уравнений равновесия и движения механики сплошной среды. Он является дополнительным условием при решении вопроса о предельном равновесии тела с трещиной. Предельное состояние равновесия считается достигнутым, если трещиноподобный разрез получил возможность распространяться. При этом разрез становится трещиной. Из последнего определения видно, что трещина — это тонкий разрез (щель), который способен распространяться (увеличивая свою поверхность) в объеме тела под действием внешних воздействий ). Роль внешних воздействий играют, например, механические усилия, температурные напряжения, коррозионное и поверхностно-активное воздействие окружающей среды, а также время, в течение которого происходит изменение параметров материала. [c.326]

Основное предположение линейной механики разрушения состоит в том, что трещина распространяется тогда, когда величина коэффициента интенсивности достигает критического значения, характерного для данного материала. Совершенно эквивалентная формулировка этого предположения состоит н том, что сила G, движущая трещину, превосходит критическое значение — сопротивление распространению трещины. Формула (19.4.4) утверждает эквивалентность двух этих формулировок. Что касается механического содержания принятой гипотезы и всей теории в целом, на этот вопрос можно ответить по-разному, а в рамках формальной теории вообще его можно не ставить. Тем не менее некоторые соображения могут быть высказаны. В оригинальной работе Гриффитса предполагалось, что освобождающаяся при росте трещины упругая энергия расходуется на увеличение поверхностной энергии если есть поверхностная энергия на единицу площади, то сила сопротивления движению трещины G = Анализ Гриффитса в течение долгих лет считался безупречным, хотя в нем содержится некоторый органический дефект. Энергия поверхностного натяжения вводится в уравнения теории как нечто данное и постороннее по отношению к упругому телу. На самом деле, поверхностная энергия есть энергия поверхностного слоя, свойства которого в той или иной мере отличаются от свойств остального материала и при решении задачи теории упругости этот поверхностный слой нужно как-то моделировать. Простейшая схема будет состоять в том, чтобы рассматривать поверхностный слой как бесконечно тонкую пленку с постоянным натяжением 7. Если контур свободного отверстия имеет кривизну, то поверхностное натяжение дает нормальную составляющую силы на контуре. При переходе к разрезу, в вершине которого кривизна становится бесконечно большой, поверхностное натяжение создаст сосредоточенные силы. В результате особенность у кончика трещины оказывается более высокого порядка, а именно, вида 1/г, а не 1/У г. На это обстоятельство было обращено внимание Гудьером, однако полное решение задачи было опубликовано много позже. В связи с этим можно выразить сомнение, связанное с тем, в какой мере пригодно представление о поверхностном натяжении в твердом теле как о натянутой бесконечно тонкой пленке, а особенно в какой мере эта идеализация сохраняет смысл при переходе к пределу, когда отверстие превращается в бесконечно топкий разрез. [c.664]

Определение характеристик сопротивления распространению трещины (трещиностойкости) металлов при циклическом нагружении. Методические указания.— Физ.-хим. механика материалов, 1979, № 3, с. 83—97. [c.204]

Процесс циклического нагружения элемента конструкции в условиях эксплуатации сопровождается постепенным накоплением повреждений в материале до некоторого критического уровня, который может быть охарактеризован с привлечением различных методов и средств исследования. Выбор средств определяется применяемыми критериями в оценке самого предельного состояния и его фактической реализацией к рассматриваемому моменту времени, как это было рассмотрено в предыдущей главе. Даже при отсутствии в детали трещины можно с большой достоверностью утверждать, что после длительной наработки в эксплуатации последующее после проверки нагружение может вызвать быстрое зарождение и далее распространение усталостной трещины. Оценка состояния материала с накопленными в нем повреждениями и прогнозирование последующей длительности эксплуатации до появления трещины, установление периодичности контроля за состоянием детали подразумевают использование структурного анализа на базе физики металлов. Это подразумевает обязательное применение методов механики разрушения для оценки длительности роста трещины и обоснования периодичности осмотров на всех стадиях зарождения и распространения трещин. Однако многопараметрический характер внешнего воздействия на любой элемент конструкции делает неизбежным введение в рассмотрение процесса накопления повреждений в конструкционных материалах с позиций синергетики, следовательно, возникает новое представление о процессе распространения трещин. Всю совокупность затрат энергии внешнего воздействия, вызвавших разрушение элемента конструкции, интегрально характеризуют достигнутое на определенной длине трещины предельное состояние, единичная реализация процесса прироста трещины и сформированная в результате этого поверхность разрушения. [c.79]

Рассмотрение процесса распространения трещин с позиций механики разрушения основано на подходах термодинамики замкнутых систем. У кончика или в окрестностях вершины трещины рассматривается энергетический баланс, который позволяет выделить из общих затрат энергии работу разрушения материала, т. е. ту часть энергии, которая непосредственно связана с образованием свободной поверхности. Существует несколько вариантов такого подхода, который в общем слз ае может быть выражен математически следующим образом [66] [c.196]

В настоящем исследовании изучалась механика только одной трещины или единичного разрыва волокна. Наличие одного изолированного мощного дефекта или концентратора напряжений определяло весь процесс разрушения и инициировало распространение трещины при гораздо меньшем значении нагрузки, чем то, которое потребовалось бы при отсутствии концентратора напряжений. Тем не менее наблюдаемая неспособность первоначальной трещины распространяться в стеклянные бруски, смежные с центральным, подтверждает выводы, полученные на модели Розена [55]. Концентрация напряжений у конца трещины, достигающей смежных стеклянных брусков, сильнее дефектов, существующих в других точках армирующих стержней, так что трещина разовьется прежде, чем возникнут какие-либо новые [c.549]

Итак, в данном разделе мы рассмотрели разбиение уравнения энергетического баланса на члены, традиционно определяемые механикой и физикой, и остановились на интерпретации и экспериментальной оценке затраченной энергии, на основе которой можно вывести условие распространения трещины. Отметим, чт даже для весьма сложного поведения материала, например в случае нелинейной неупругости, затраченную энергию можно определить независимо от формы образца, напряженного состояния или траектории движения трещины. С точки зрения преодоления трудностей, возникающих при анализе напряженного состояния в гетерогенных неупругих композитах, экспериментальный подход,, по-видимому, наиболее приемлем. [c.227]

Разрушению композита во многих случаях предшествует растрескивание матрицы или поверхности раздела волокно — матрица. Касательные напряжения в плоскости слоя способствуют распространению трещины в направлении армирования (трещина П рода или поперечного симметричного сдвига в соответствии с терминологией механики разрушения). Наличие растягивающих напряжений, перпендикулярных направлению армирования, ведет к раскрытию трещины (трещина I рода, или нормальный разрыв) и, наиболее вероятно, к снижению предельных напряжений Ху. С другой стороны, наличие малых или умеренных сжимающих напряжений, перпендикулярных направлению армирования, будет способствовать смыканию трещины I рода и обеспечивать фрикционное [c.47]

Рассмотренные закономерности малоциклового и длительного циклического деформирования и разрушения относятся к стадии до момента образования усталостной трещины. Вместе с тем в ряде случаев важным при обеспечении требуемой долговечности является эксплуатация конструкции на стадии распространения малоцикловой трещины. Названные вопросы в настоящее время интенсивно развиваются на основе подходов механики упругопластического разрушения. Переход к расчетам на стадии распространения трещин, внедрение в практику методов оценки выработки ресурса позволят выполнять контроль прочности ответственных конструкций по состоянию в эксплуатации. [c.277]

Поэтому подходы линейной механики разрушения могут быть успешно использованы для исследования и прогнозирования усталостной прочности и долговечности металлов, которые могут быть использованы только для упругого напряженного состояния и многоцикловой усталостной прочности. В последние годы развивается нелинейная механика разрушения. Экспериментально показано, что скорость распространения трещин во всей области скоростей (10 — [c.14]

В механике разрушения твердое тело рассматривается как континуум. Однако разрушение металлических тел — процесс дискретный [1, 2]. В теориях хрупкого разрушения, как отмечал В. В. Новожилов, содержится определенная физическая константа — атомный радиус (параметр кристаллической решетки). Эта константа чужда механике разрушения, поскольку последняя рассматривает тело как сплошную среду, а не дискретный конгломерат, но теория распространения трещин не может обойтись без физической константы размерности длины и в случае хрупкого разрушения это будет атомный радиус [1]. [c.251]

Развитие трещин при длительном статическом нагружении в работах [59—61] описывается с использованием критериев линейной механики разрушения при этом скорость распространения трещин оказывается связанной с коэффициентом интенсивности напряжений степенной функцией [59]. Увеличение скоростей развития трещин с накоплением времени объясняется снижением критических значений коэффициентов интенсивности напряжений, а также с активизацией процессов коррозионного повреждения металла в вершине трещины. [c.114]

Инженеры-механики обязательно должны интересоваться различными видами механических разрушений, возможность которых им приходится оценивать расчетным путем. Хотя результаты микроскопического исследования поведения материалов нельзя непосредственно использовать при расчетах каких-либо отдельных элементов конструкций, качественное понимание того, как на атомистическом уровне происходит процесс разрушения вследствие взаимодействия и движения дислокаций, несомненно, полезно. Механика разрушения позволяет получать количественные оценки возможности разрушения в результате быстрого распространения трещин. Другие модели разрушения и способы его предсказания рассмотрены в последующих главах. [c.82]

Следует отметить, что в последние годы появилось очень большое число монографий по механике разрушения. Упомянем семитомный переводной труд энциклопедического характера Разрушение , монографии Морозова и Партона, Черепанова, ряд переводных сборников. Многие авторы понимают под механикой разрушения именно и только механику распространения трещины. Но в теории трещин предполагается, что материал остается упругим и не меняет своих свойств всюду, кроме окрестности конца трещины, которая или стягивается в точку в линейной механике, или рассматривается как пластическая область или область больших упругих деформаций. Такая точка зрения далеко не исчерпывает многообразия реальных процессов разрушения. При переменных нагрузках, например, уже после относительно небольшого числа циклов в материале появляются субмикроскопические трещины, которые растут и сливаются в макроскопические трещины, приводящие к видимому разрушению. Не вдаваясь в детали микроскопической картины, этот процесс можно представить как накопление поврежденности, характеризуемой некоторым параметром состояния. Кинетика изменения этого параметра должна быть включена в определяющие уравнения среды. Такая точка зрения лежит в основе того, что можно назвать механикш рассеянного разрушения. Соответствующая теория развивается применительно к усталости металлов и длительной прочности при высоких температурах. [c.653]

Существует определенная аналогия и общность между подходами механики распространения трещин и феноменологической механикой разрушения. В частности, в рамках первой теории рассматриваются докритические диаграммы разрушения, представляющие собой зависимости между средним растягивающим напряжением в неповрежден- [c.22]

Поскольку разработка мероприятий по более эффективному использованию материалов путем применения высоких рабочих напряжений за счет снижения остаточных напряжений, не всегда приводит к положительным результатам, то необходим новый подход к этой проблеме. Линейную механику разрушения, которая получила развитие в последнее десятилетие, можно применять к коррозионному растрескиванию, как показал Браун [37]. Особенный интерес представляет использование положений линейной механики разрушения для определения наибольшего размера трещины, которая стабилизируется и не распространяется дальше для заданного напряженного состояния. Самая большая трудность применения этих положений к углеродистым сталям в настоящее время заключается в определении размера используемых в этих испытаниях образцов. Вероятно, большинство разрушений по причине коррозионного растрескивания углеродистых сталей в процессе эксплуатации происходит на относительно более тонких сечениях, чем сечения образцов, которые в настоящее время применяют в связи с требованиями основных положений линейной механики разрушения. Имеются также вопросы, касающиеся механики распространения трещин коррозио1шого растрескивания, но тем не менее в некоторых ситуациях возможно использование метода, основанного на линейной механике разрушения, в борьбе с коррозионным растрескиванием углеродистых сталей. [c.252]

Влияние частоты нагружения на скорость распространения трещин усталости подробно изучалось Т. Екобори и К. Сато [436] методами механики разрушения. Испытывались образцы из алюминиевого сплава 2024-ТЗ и малоуглеродистой стали SM-50, представляющие собой полосу с центральным отвер- Стием и инициирующими прорезями. Частота нагружения изменялась в диапазоне от 1 до 8000 цикл./мин. Результаты эксперимента описываются зависимостью [c.199]

Карзов Г. П., Костылев В. И., Марголин Б- 3. Определение параметров механики разрушения и скорости распространения трещин при импульсном нагружении элементов конструкций//Судостроит. пром-сть.— Сер. Материаловедение Сварка. — 1989. — Вып. 7. — С. 87—95. [c.368]

Критерий начала распространения трещины (иногда называемый критерием разрушения), составляющий основу механики раз-рунгения, не следует из уравнений равновесия и движения механики сплошной среды. Он является дополнительным (по отношению к уравнениям теории упругости) краевым условием при решении вопроса о предельном равновесии тела с трещиной. Преде [ьное состояние равновесия считается достигнутым, еаии трещинонодобньп разрез получил возможность распространяться. При этом разрез становится трещиной. Из последнего определения видно, что трещина — это есть топкий разрез (щель), который способен распространяться (увеличивая свою поверх- [c.21]

Изложены современные представления и оригинальные исследования по теории магистральных трещин, способных распространяться в твердых деформируемых телах, приводя к частичному или полному разрушению. Содержанием книги охватывается широкий круг вопросов поведения тел с трещинами — от критериев распространения трещины и до решения ряда сложных задач механики разрушения. Рассматриваются предельные п допредельные состояния равновесия при однократном, многократном, термическом и динамическом нагружениях в упругих, вязкоупругих, упругопластических и пьезоэлектрических телах с трещинами. Изложены методы экснерименталь-гюго определения характеристик трещиностойкости материалов. [c.2]

Для оценки скорости роста усталостных трещин использовались эмпирические формулы, в которые не входили параметры механики разрушения. Однако только введеипе в число параметров (влияющих па распространение трещины) коэффициента интенсивности напряжений позволило судить об общих закономерностях роста трещины при повторном (циклическом) нагружении. И это естественно, так как рост трещины усталости происходит на фоне упругих деформаций, кдгда справедливы критерии линейной механики разрушения. [c.258]

Особенности кинетических диаграмм разрушения. В первых исследованиях, касающихся оценок кинетики докритического роста трещип при длительном статическом нагружении в водных средах, рассматривались преимущественно закаленные низкоот-пущенные стали с пределом текучести выше 1500 Н/мм . Было показано, что скорость распространения трещины прямо пропорциональна коэффициенту интенсивности напряжении растущей коррозионной трещины. Дальнейшее распространение подходов линейной механики разрушения па более широкий круг высокопрочных материалов и коррозионных сред выявило более сложный характер зависимости viK). Типичная кинетическая диаграмл1а коррозионного растрескивания в координатах gv-K представлена на рис. 42.3. На участках I и III скорость роста трещины увеличивается с повышением X, а в пределах участка II, охватывающего значительный диапазон значений К, наблюдается стабилизация скорости. Существуют различные суждения о причинах четко выраженных участков диаграммы коррозионного растрескивания. Их связывают с влиянием в пределах каждого участка доминирующего механизма воздействия среды. Второй горизонтальный участок часто связывают с релаксацией напряжений в вершине трещины вследствии ее интенсивного ветвления. Характер зависимости v K) во многом зависит от структуры сплава и типа среды. Для высокопрочных сталей с мартенситной структурой с пределом текучести 1500 Н/мм и выше на кине- [c.341]

Морозов Е. М. Распространение трещин в упругопластическом и паслед-ственноупругом телах.— В кн. Механика деформируемых тел и конструкций,— М. Машиностроение, 1975, с, 304—312, [c.490]

В качестве одного из путей преодоления этого несоответствия теории и реального процесса Си и Чен [31] предложили использовать для анализа разрушения волокнистых композитов так называемую теорию плотности энергии [30]. В основу теории положено предположение о том, что решение механики сплошной среды работает вплоть до области, лежащей вблизи кончика трещины на расстоянии порядка радиуса кривизны вершины трещины. Коэффициент плотности энергии деформирования элемента, лежащего вне этой области, является функцией его положения относительно осей надреза. Развитие трещины происходит, когда величина этого коэффициента достигает критического значения. Предполагая, что трещина распространяется только параллельно волокнам, при помощи теории плотности энергии в работе [31] получены значения критических напряжений для различных углов распространения трещины и зависимости угла разрушения от угла трещины для однонаправленного стеклопластика на эпоксидном связующем. Хотя в [31] и сказано, что рассматриваемая теория пригодна для случая трещины с притупленной вершиной, остается неясным, каким образом осуществить анализ напряжений, если вне области, примыкающей к вершине трещины, существует зона нелинейности. [c.54]

В настоящее время интенсивно исследуется применение метода / -кривых. Поскольку условия задачи распространения трещин параллельно направлению армирования в однонаправленном композите не противоречат основным положениям механики разрушения, не удивительно, что применение к такой задаче более совершенных теорий приводит к очень хорошим результатам. Отсутствие различий в описании экспериментов на слоистых композитах со схемами армирования, более сложными, чем однонаправленная, при помощи приближенных и более точных теорий разрушения наводит на мысль, что многие особенности поведения слоистых композитов еще не учтены существующими теориями. Поэтому следует уделять должное внимание сопоставлению предлагае- [c.245]

В качестве примера на рис. 2 показан образец биметаллической композиции Ст. 3+Х18Н10Т, испытанный в криостате в среде жидкого азота. На поверхности образца видна переходная зона с остановившейся трещиной. Анализ микрофотографии, приведенной на рис. 2, показывает, что распространение трещины происходило в направлении от надреза в слое стали Ст. 3 перпендикулярно границе раздела слоев биметалла. При переходе трещины из стали Ст. 3 в сталь Х18Н10Т развивается значительная пластическая деформация, приводящая к изменению механизма разрушения. Рассматривая характер распространения трещины с позиций механики, можно предположить, что хрупкий излом сколом переходит в вязкий срезом. Энергия распространения трещины переходит в энергию пластической деформации, скорость трещины резко снижается и происходит остановка трещины. [c.38]

Исследование закономерностей усталостного разрушения металлов показало, что длительность периода развития усталостных трещин может составлять основную часть общей долговечности образца. Известно, что отношение числа циклов, необходимых для зарождения трещины, к числу циклов распространения трещины до разрушения образца зависит от механических свойств материала и уровня амплитуды напряжения. С повышением амплитуды напряжения это соотношение понижается и в малоцикловой области числом циклов, необходимым для зарождения трещины, можно пренебречь, Прямые наблюдения развития микротрещииы при циклическом нагружении металлов позволяют высказать гипотезу о возникновении трещин критической длины в конце стадии зарождения, которой соответствует число циклов на экспериментально определенной линии повреждаемости (линия Френча). Трещины критической длины возникают также при нагружении исследуемых металлов с амплитудой напряжения, равной пределу усталости. При определенных условиях они являются нераспространяющимися трещинами и определяют предел усталости металлов с точки зрения механики разрушения. [c.14]

С использованием упругоиластическоп механики разрушения было получено обобщенное уравнение, описывающее закономерности распространения усталостных трещин, в котором скорость распространения трещины была выражена как функция размаха /-интеграла. С помощью упомянутого уравнения, пользуясь выражением для /-интеграла, в соответствии с краевыми условиями вычислили число циклов для распространения трещины от критической начальной длины до длины, соответствующей половине диаметра цилиндрического тела. Начальная критическая длина трещины вычислялась с использованием пороговой величины размаха /-интеграла. Вычисленные величины сопоставляли с усталостной долговечностью, полученной экспериментально. Это сравнение позволяет оценить продолжительность стадий зарождения и распространения усталостных трещин. [c.420]

Рис. 39. Схематическая (К-У)-диаграмма, полученная при испытаниях на коррозию под напряжением по методике лин Ьюй механики разрушения V— скорость распространения трещины, Ki - коэффициент интенсивности напряжений — критическое значение, при котором скорость распространения трещины очень высока Ко - пороговая величина, ниже которой распростраиение трещины лежит за пределами измерения

Для исследования коррозионной усталости с позщий линейной механики предложен ряд аналитических выражений, учитывающих асимметрию цикла нагружения и позволяющих описать скорость распространения трещин в широком диапазоне размаха коэффициента интенсивности AKj [51, 71,81]. [c.54]

Некоторые общие положения. Основным понятием механики хрупкого разрушения является трещина, начальное образование которой не рассматривается. Изучается лишь вопрос равновесия и распространения, трещины от тонкой начальной. Принципиаль- [c.574]

С учетом положений механики разрушения, условие для распространения трещины, заполненной водородом, имеет вид (Нотт [54, с. 66— 85]) [c.19]

В связи с чувствительностью низколегированных трубных сталей к скорости деформирования наблюдается существенное различие между температурами перехода от вязкого разрушения к хрупкому, определяемыми на стадиях инициирования и распространения разрушения. При распространении трещины переходная температура устанавливается по результатам испытаний образцов падающим грузом согласно методике DWTT, а на стадии ее инициирования — в условиях статического нагружения стандартных образцов, используемых для оценки трещиностойкости материалов по критериям механики разрушения [21. В зависимости от марки трубной стали сдвиг между температурами перехода —T l может составлять 60 С и более. [c.281]

Скорости распространения трещин большинства промышленных сталей близки. Надежный расчет роста трещин, возникших в результате усталости, обычно проводят по методикам, предложенным Американским обществом инжене-Рис. 12.3. Температурная зависи- ров-механиков (ASME). Для де-мость вязкости разрушения образ- фектов, на которые воздействует цов, в которых обеспечена плоская вОЗДух, или дефектов, ВОЗНИКШИХ деформация, вырезанных из толстой процессе эксплуатации, скорость части сечения корпуса (сталь Л533, [c.168]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...