1.2.8 Влияние неоднородности и вида напряженного состояния на характер разрушения

На переход материала из пластического состояния в хрупкое влияние оказывает также вид напряженного состояния и градиент напряжений (неоднородность напряженного состояния).

Анализ случаев хрупкого разрушения элементов конструкций, особенно, изготовленных из достаточно пластичных в обычных условиях и неохрупчивающихся с понижением температуры материалов, показывает, что зона разрушения, как правило, локализуются в местах, где напряженное состояние характеризуется высокими значениями положительного шарового тензора. Так, медь, не охрупчивающаяся даже при очень низких температурах, работая в условиях двухосного растяжения, проявляет все признаки хрупкого разрушения. При наличии концентрации напряжений материал имеет склонность к хрупкому разрушению (см. рисунок 1.2.8).

4 1

3 2

2 3

1 4

Рисунок 1.2.8 - Влияние формы образцов на вид диаграмм деформирования

Чем острее выточка, т.е. чем меньше центральный угол, тем выше коэффициент концентрации и тем в более хрупком состоянии оказывается материал образца.

Помимо плавности формы детали на неравномерность распределения напряжений оказывает влияние начальные напряжения. Плоское или объемное поле начальных напряжений первого рода может иметь настолько заметный вес в поле суммарных напряжений, что обусловленная ими неравномерность распределения напряжений в состоянии вызвать переход из пластического состояния в хрупкое.

Так как в обычных расчетах концентрация напряжений или начальные напряжения не учитываются, необходимо иметь гарантию против хрупкого разрушения материала. Гарантию может дать испытание материала. Так, для исследования концентрации напряжения испытываются образцы с надрезами.

1.2.9 Масштабный фактор

Обнаружено, что сопротивление отрыву с увеличением размеров поперечного сечения стержня значительно уменьшается. При достижении определенного размера (площади поперечного сечения F) падение прекращается (рисунок 1.2.9)

σ_пц

F

Рисунок 1.2.9 – Влияние площади поперечного сечения стержня на механические характеристики

Эффект зависимости механических свойств от размеров – носит название масштабного фактора. Обнаружено влияние не только поперечного сечения, но и длины (рисунок 1.2.10).

F₁ F₁<F₂

F₂

Рисунок 1.2.10 – Влияние длины стержня на предельное относительное удлинение

Статистическая теория прочности явление масштабного фактора объясняет возрастанием вероятности наличия дефекта, ослабляющего тело, с увеличением размеров последнего.

Асимптотический характер зависимости прочности от размера сечения той же теорией объясняется тем, при размере, начиная с которого не наблюдается понижение прочности, в образце образуется та стандартная ситуация дефектов, характерная для данного материала, которая в изделиях большого размера просто повторяется в любом из объемов, равных объему обсуждаемого образца. Поэтому, образцы для испытаний желательно иметь большого размера, чтобы обнаруженные свойства приближались к истинным свойствам материала в изделии. Влияние масштабного эффекта для различных групп материалов представлено на рисунке 1.2.11.

кг/мм²

1-керамика; I-большие сечения;

2-стекло; II-тонкая нить;

3-металлы; III-усы.

1 2

1 2 3

1 2 3

Рисунок 1.2.11 – Влияние размеров поперечного сечения стержней на их прочность

Помимо статистического подхода масштабный эффект объясняют технологическими причинами: в изделиях материал менее однороден, а поэтому, вырезая образцы из различных мест, обнаруживаем различные свойства.

Разрабатывается энергетический подход: например, с увеличением размеров образца увеличивается общий запас энергии в системе образец – испытательная машина, что ведет к возрастанию скорости распространения хрупкой трещины.