3.Концентрация напряжений.

Я вление резкого увеличения напряжений вблизи особенностей поверхности называется концентрацией напряжений, а сами особенности поверхности – концентраторами напряжений.

распределение напряжений в стержне без концентратора

_к – напряжение в вершине концентратора

то же с концентратором

Особенности поверхности

дефекты поверхности детали: трещины, острые углы, надрезы;

дефекты материала: поры, шлаковые включения, неслитины, трещины и т.д., в том числе и в сварных соединениях;

изменения формы элемента конструкции: резкое или по радиусу изменение формы или размеров сечения, шпоночные пазы, резьба, сварные или заклепочные соединения, отверстия и т.п.

Концентраторы напряжений значительно повышают локальные (местные) напряжения, что иногда приводит к аварийным разрушениям конструкций при их эксплуатации:

разрушения мостов, корпусов кораблей и самолетов;

котлов, трубопроводов, атомных реакторов и т.д.

Очень важна при этом температура эксплуатации, особенно, если она низкая.

Чувствительность к надрезу и трещине при статическом нагружении

Трещина: нарушение сплошности материала

Надрез: резкое изменение площади сечения.

Различия:

Надрезы могут быть созданы практически любой формы.

Например,

обеспечивающие осесимметричное нагружение:

Развитие трещины всегда сопровождается изгибом:

Надрез: является концентратором напряжений как при растяжении, так и при сжатии.

Трещина: при сжатии берега ее смыкаются.

Она передает сжимающие напряжения как сплошной материал.

Трещину иногда рассматривают как очень узкий и острый надрез.

Особенно чувствительны к трещине высокопрочные материалы:

при изгибе образца с трещиной длиной ~ 1 мм предел прочности может снижаться до 0,25 предела прочности при растяжении гладкого образца.

Трещина, перпендикулярная растягивающему усилию, является самой опасной.

Самый опасный дефект C, т.к. он расположен в околошовной зоне перпендикулярно растягивающим напряжениям.

4. Модель тела с трещиной. Виды разрушения.

__________________________________________________________________________________

В механике разрушения изучается несущая способность нагруженного тела с трещиной и процесс его разрушения.

Основной объект исследования в механике разрушения – различные дефекты.

Чаще всего они являются причиной разрушения.

Их принято называть «трещина».

Разрушение чаще всего инициируется и начинается с трещины или трещиноподобного дефекта. Очевидно, что бездефектных материалов практически не существует, а полная ликвидация технологических трещин экономически нерентабельна.

До 40-х годов XX века считалось, что разрушение материала или конструкции происходит мгновенно, т.е. трещина появляется на последних «минутах жизни» сооружения, завершая процесс разрушения.

В дальнейшем было установлено, что трещина развивается за достаточно большой промежуток времени, предшествующий разрушению.

Развитие трещины является главной формой проявления разрушения.

Ее развитие не сопровождается большими деформациями в объеме всего тела.

Дефекты (в частности трещины) являются концентраторами напряжений – с них чаще всего начинается процесс разрушения.

Напомним (см. 5.7): явление резкого увеличения напряжений вблизи особенностей поверхности называется концентрацией напряжений, а сами особенности поверхности – концентраторами напряжений.

Трещины – препятствие на пути силовых линий.

Согласно решению теории упругости

для предельного концентратора, такого как трещина,

максимальное напряжение стремится к бесконечности.

Конструкционные материалы не идеально упругие: они получают пластические деформации – микроструктурные деформации в вершине трещины.

Реальные значения напряжений, поэтому ниже.

Трещина в своем развитии проходит

три стадии:

зарождение, рост и распространение.

При этом она может находиться в одном из двух состояний:

– устойчивом (равновесном). Это значит, что при квазистатическом (условно статическом) увеличении нагрузки трещина переходит из одного устойчивого состояния в другое;

– неустойчивом (неравновесном). При малейшем увеличении нагрузки начинается очень быстрое развитие трещины вплоть до полного разрушения тела.

Самые опасные дефекты перпендикулярны растягивающим напряжениям в материале.

Фронт трещины аппроксимируют эллипсом или окружностью.

Трехмерные дефекты могут быть заменены проекцией на плоскость, перпендикулярную растягивающим напряжениям.

Поверхностный дефект более опасный, чем внутренний дефект с такими же размерами.

Неразрушающими методами контроля легче выявить поверхностные дефекты, чем внутренние поры.