1.5. Связь механики разрушения с физикой твердого тела

Механика разрушения, или теория трещин, как составная часть науки о прочности твердого тела образовалась сравнительно недавно, и занимается она изучением законов разделения твердых тел на части под действием внешних силовых факторов и других причин.

Одной из основных задач механики твердого тела является оценка прочности элементов, работающих в реальных условиях эксплуатации. Среди параметров, характеризующих прочность материала, в последнее время все более важным является трещиностойкость. Процесс разрушения представляет собой совокупность явлений, который начинается гораздо раньше, чем появятся первые визуально заметные трещины. В материале, как правило, содержатся дефекты структуры, пустоты, раковины, вкрапления других металлов, которые со временем могут превратиться в трещины.

В процессе эксплуатации трещины в элементах конструкции могут появиться и из-за конструкторских просчетов. Появившаяся в конструкции трещина, если она не будет обнаружена во время, может привести к катастрофическим последствиям.

Кроме того, причиной разрушения элементов конструкции в результате появления трещин могут быть коррозия и старение материала. Необоснованное продление срока эксплуатации конструкции чревато различного рода авариями. Причиной возникновения трещин, ведущих к разрушению твердого тела, может быть и присутствие на его поверхности материала с другими механическими свойствами.

В общем случае под разрушением подразумевается не только необратимый распад материалов на две и больше частей. В понятие разрушение входит также необратимое пластическое течение, которое характеризуется остаточной деформацией и приводящее к исчерпанию несущей способности. Разрушение вязкоупругих материалов в зависимости от метода и условий нагружения подразделяется на следующие виды: начало текучести или пластической деформации; хрупкое разрушение; пластическое разрушение; разрушение при ползучести; усталостное разрушение; разрушение под действием окружающей среды.

Как уже было сказано выше, различают два вида разрушения – пластическое и хрупкое. Пластическое разрушение происходит после существенной пластической деформации, протекающей по всему объему тела или его значительной части, и является результатом исчерпания способности материала сопротивляться пластической деформации. Хрупким называется разрушение, происходящее без пластической деформации. Различают также квазихрупкое разрушение, при котором имеет место некоторая пластическая зона перед краем трещины. Квазихрупкое разрушение происходит в наиболее ослабленном сечении при напряжении выше предела текучести, но ниже предела прочности. При хрупком разрушении скорость распространения трещины составляет 0,2–0,5 скорости звука, т. е. достаточно велика, а излом имеет кристаллический вид. При пластическом разрушении скорость трещины мала и составляет не более 0,05 скорости звука, а излом имеет волокнистый вид.

Особенно большое практическое значение в инженерном деле имеет изучение хрупкого разрушения конструкций, которое происходит от быстрого распространения трещин при средних напряжениях ниже предела текучести, кажущихся в связи с этим безопасными. Последнее свидетельствует о том, что рассмотренных до этого классических методов расчета на прочность по упругому и пластическому состояниям недостаточно. Вот почему практически необходимо дополнить классические методы новыми методами расчета на прочность, учитывающими законы зарождения и развития трещин, а также ввести новые характеристики материала, по которым могла бы оцениваться его трещиностойкость.