Элементы механики разрушения

1.Хрупкое и вязкое разрушение

•Разрушение – процесс, включающий зарождение и развитие трещин. Разрушение может закончиться разделением тела на части.

•Различают хрупкое разрушение, сопровождающееся минимальным поглощением энергии и малой предшествующей пластической деформацией, и вязкое (пластическое) разрушение, при котором материал обнаруживает значительную пластичность.

•В общем случае при разрушении имеют место механизмы и пластического, и хрупкого разрушения. Их соотношение в значительной степени определяется температурой, при которой происходит разрушение. При комнатной температуре материалы условно разделяют на хрупкие (например, чугун) и пластичные (например, сталь) в зависимости от того, какой механизм разрушения преобладает.

2. Трещины

• Зарождение разрушения во всех случаях связано с пластической деформацией, которая при этом неоднородна в микроскопическом масштабе.

• Образование микротрещин часто происходит в результате скопления движущихся дислокаций перед препятствием (межзеренные и межфазные границы, включения и

т.п.).

Схема образования трещины:

1 – трещина; 2 – граница зерна

2.1. Теоретические виды трещин

I – нормального разрыва,

II – поперечного сдвига,

III– продольного сдвига

•Трещина вводится в материал в два этапа. Сначала на образец наносят надрез, а затем к его внешним поверхностям прикладывают нагрузку, направление которой определяет специфические типы разрушения, представленные на рисунке Плоскость, по которой происходит разрушение материала, называется плоскостью скола.

•Разрушение по типу I – единственный способ, ведущий к физическому разрушению, поскольку если внешнее напряжение физически не разделяет две поверхности в плоскости скола, то может происходить сращивание этих плоскостей даже при приложенном напряжении.

3.Хрупкое разрушение

•Хрупкое разрушение характеризуется очень быстрым ростом трещины, причем это происходит без повышения действующих напряжений, т.е. для развития хрупкого разрушения не требуется подводить энергию извне, а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся конструкции. Для стали скорость роста трещины достигает 2500 м/с.

•Если в пластине, находящейся под действием растягивающих напряжений , развивается перпендикулярная оси растяжения

трещина длиной lтр, упругая энергия пластины уменьшается и одновременно затрачивается работа на создание двух свободных поверхностей – стенок трещины. Результирующее изменение энергии пластины зависит от соотношения вкладов этих двух составляющих разного знака.

3.1.Критическая длина трещины

•Многие детали могут длительно работать при наличии трещин, но не более определенного размера.

•Критическая длина опасных трещин определяет границу резкого снижения прочности и хрупкого разрушения детали. Начиная с

некоторой критической длины lкр, при раскрытии трещины уменьшение запасенной упругой энергии перекрывает увеличение поверхностной энергии.

•При превышении критической длины развитие трещины идет за счет запасенной энергии упругой деформации, не требуя увеличения растягивающей нагрузки.

•Критическая длина трещины зависит от вязкости разрушения (трещиностойкости) стали, уровня остаточных напряжений, конструкции детали, температуры ее эксплуатации, скоростей приложения нагрузок.

3.3.Соотношение Гриффитца

•Критическая длина трещины lкр и соответствующее ей критическое растягивающее напряжение связаны соотношением Гриффитца: кр

=(2EA / lкр)1/2 = K1c / ( lкр)1/2, где A – сумма удельной поверхностной энергии и работы пластической деформации; Е – модуль Юнга; K1с

критерий Ирвина (вязкость разрушения, критический коэффициент интенсивности напряжений в приближении плоского деформированного состояния – жесткого трехосного напряженного состояния).

•Чем больше действующее напряжение, тем более короткие трещины способны к закритическому, лавинообразному развитию.

•В вершине малых трещин и при малых толщинах деталей реализуется плоское напряженное состояние с растягивающими напряжениями, направленными поперек и вдоль трещины.

4.Вязкое разрушение

•В пластичных сталях при малых размерах деталей и трещин после достижения напряжением в вершине трещины значения, равного сопротивлению пластической деформации, возникающие деформации резко снижают уровень напряжений, и разрушение таких деталей становится вязким, сопровождаясь значительными пластическими деформациями. При больших трещинах предел текучести в вершине возрастает в 3 5 раз, что ведет к хрупкому разрушению стали.

•Вязкое разрушение характеризуется не только предшествующей ему большой пластической деформацией, но и медленным развитием трещины.

4.1.Образование шейки при растяжении

•При растяжении цилиндрических образцов из пластичных металлов развивается локализация деформации в виде местного сужения – шейки,

вкоторой и происходит вязкое разрушение.

•У очень чистых металлов шейка может сужаться до точки. Образец разделяется на части срезом (скалыванием) (рис. а). Для вязкого разрушения промышленных металлов и сплавов более типичен излом «чашечка» – конус (рис. б).

•Причина чашечного излома – большое количество микропустот, сливающихся в магистральную трещину, перпендикулярную оси растяжения. Происходит разрушение отрывом, формирующее дно чашечки. Последняя стадия пластического разрушения заключается в образовании конической части под углом 45 к первоначальному направлению трещины – разрушение срезом .