21

Введение

Проблема разрушения — центральная проблема механики разрушения деформируемого тела. Границы этой научной дисциплины достаточно широки, что продиктовано необходимостью использовать для изложения не только достижения физики и механики, но и основные понятия физической химии, металловедения, технологии обработки металлов давлением и термообработки и т.д. Главная цель механики разрушения деформируемого тела — определение и формализованное описание условий разрушения твердых тел различной формы, находящихся под действием заданных нагрузок в определенных внешних условиях. Достижение этой цели может осуществляться в рамках механики сплошных сред, если при постановке и решении задач определения напряженно-деформированного состояния при заданных начальных и граничных условиях удается учесть процессы развивающегося разрушения, т.е. сформулировать условия разрушения в терминах механики сплошных сред. Континуальные модели разрушения в механике разрушения деформируемого тела формулируются обычно на совокупной базе общих теоретических соображений и многочисленных экспериментальных данных, а затем с помощью этих моделей решаются практические задачи прочностных расчетов при проектировании различных конструкций, машин и механизмов.

Условимся понимать под разрушением тела исчерпание им своей несущей способности, которое происходит либо вследствие беспрепятственного пластического течения (неограниченного изменения формы), либо вследствие накопления повреждений и развития трещин, либо вследствие совокупности обоих процессов (смешанное разрушение). Процесс разрушения тела зависит от структуры материала и ее несовершенств, внешних условий (характера нагружения, температуры, химического состава окружающей среды, радиационного фона), наличия в материале повреждений различных размеров, времени и ряда других менее значимых факторов.

Классификация типов разрушения

С микроскопической точки зрения существуют два основных типа разрушения: хрупкое и вязкое. Тип разрушения во многом определяется температурой и скоростью нагружения: хрупкое разрушение возникает при низких температурах или резком приложении растягивающих нагрузок (или при воздействии того и другого одновременно); вязкое разрушение связано с высокими температурами, малой скоростью деформации при сжимающих и растягивающих напряжениях или высокими скоростями деформаций при сжимающих нагрузках импульсного характера.

Рис. 1. Схемы типичных испытаний механических свойств материалов и сопутствующие типы разрушения (по Я.В. Фридману)

Существует связь между температурой Т и энергией разрушения (энергией активации) U (рис. 2): участку кривой А—В (зона I) соответствуют хрупкое разрушение, малая энергия разрушения, низкая температура; участку С—D (зона III) — вязкое разрушение, нормальная температура и высокая поглощаемая энергия, которая расходуется на работу пластического формоизменения, предшествующего началу разрушения; участку В—С (зона II) — частично хрупкое, частично вязкое разрушение. Во II зоне (переходной), вполне определенной для каждой среды, энергия разрушения сильно изменяется. При повышении скорости деформации переходная зона сдвигается в сторону более высоких температур, т.е. с ударноволновым (импульсным) нагружением в большей степени связано хрупкое разрушение.

Рис. 2. Зависимость энергии разрушения от температуры: / — зона хрупкого разрушения; // — переходная зона; ///— зона вязкого разрушения вым (импульсным) нагружением в большей степени связано хрупкое разрушение.

Начало и динамика дальнейшего развития разрушения определяются типом разрушения. Для хрупкого разрушения типична острая ветвящаяся трещина (рис. 3, а) с высокой скоростью распространения, движущаяся за счет накопленной

в теле потенциальной энергии упругих деформаций. Вязкое разрушение сопровождается значительным пластическим деформированием и относительным скольжением двух областей среды. Для вязкого разрушения типична тупая раскрывающаяся трещина (рис. 3, б) с малой скоростью распространения, зависящей от условий нагружения. Вязкое разрушение требует для своего развития значительных затрат энергии и распространяется в направлениях, в которых возникает интенсивное пластическое течение (прогрессирующее скольжение), когда касательное напряжение превышает предельное значение.

Рис. 3. Вид хрупкой (а) и вязкой (б) трещин

В этом случае тело разделяется на части, ограниченные плоскостями сдвигового разрушения.

Однозначно определить тип разрушения (вязкий или хрупкий, т.е. деформировалась пластически поверхность излома или нет) можно лишь при изучении поверхностей, по которым разрушился образец материала, с помощью метода фрактографии. Хрупкое разрушение на фрактограмме характеризуется так называемым ручьистым изломом (рис. 4), а вязкое — чашечным изломом (рис. 5) с наличием на поверхности разрушения ямок (впадин отрыва).

Рис. 4. Веер скола, или "ручьистый излом" (1), в монокристалле молибдена при переходе от вязкой (2) зоны распространения усталостной трещины к хрупкому долому (1), 200 (по В.Ф. Терентьеву).

Рис. 5. Вязкий (чашечный) излом: а — сталь 30 ГСА, 1000 (по В.Ф. Терентьеву); б— жаростойкий никелевый сплав, х 1500 (по В.Ф. Терентьеву, В.М. Блинову)

В действительности у многих материалов, особенно у металлов, отсутствует абсолютно вязкое или абсолютно хрупкое разрушение. В первом случае имеются следы хрупкости (рис. 6, а), так как вязкое разрушение происходит путем образования пор, перемычки между которыми могут разрушаться

отрывом, т.е. хрупко. Во втором случае (рис. 6, б) имеются следы

Рис. 6. Схематическое представление вязкого (а) и хрупкого (б) разрушения

пластической деформации, характеризующие переход с одной плоскости на другую. Поэтому, когда говорят о вязком или хрупком разрушении, это означает, что явно преобладает один из описанных механизмов. Разрушение может быть вязким по механизму протекания процесса, но распространяться при этом от какого-либо дефекта до наступления развитого пластического течения, и результатом явится хрупкость. Весьма часты случаи смешанных разрушений. Методом фрактографии можно определить долю того и другого вида разрушения. Например, если в изломе содержится 30 % вязкого волокна (обозначается как 30В), то это означает, что 30 % сечения разрушилось вязко, а 70 % — хрупко.