Типы трещин
Большую роль в разрушении реальных материалов имеют те или иные дефекты (неоднородность материала, поры, трещины, надрезы, повреждения поверхности). Особая роль среди этих дефектов принадлежит микротрещинам. При малых нагрузках эти трещины безопасны, так как не обнаруживают тенденции к расширению. При больших нагрузках они могут оказаться неустойчивыми, способными к быстрому росту, слиянию друг с другом и образованию магистральных трещин, приводящих к разрушению конструкций. Есть много примеров катастрофического разрушения газопроводов, корпусов судов, мостов, самолетов, ракет в результате трещинообразования. Это свидетельствует о недостаточности оценки прочности с помощью традиционных подходов по упругому или пластическому состоянию конструкций.
Поэтому большое значение приобретает анализ закономерностей развития трещины. Трещины начинают развиваться задолго до полного разрушения при усталостном, пластическом и даже хрупком разрушении. Длительность процесса разрушения, т.е. роста трещины до полного разрушения, занимает значительную часть «жизни» детали, доходя до 90% и выше. Главное при эксплуатации детали не наличие у нее трещины, а темп ее роста. Рассмотрим, какие типы трещин встречаются на практике.
Раскрытие трещины в твердом теле может быть осуществлено тремя различными путями (рис.22.9).
Рис.22.9
При нормальных напряжениях возникает трещина типа «разрыв» (тип I) (рис.22.9, а), когда берега трещины перемещаются перпендикулярно плоскости трещины. При плоском сдвиге образуется трещина типа «сдвиг» (тип II) (рис.22.9, б): перемещения берегов трещины происходят в плоскости и перпендикулярно ее фронтальной линии. Трещина типа «срез» (тип III) (рис.22.9, в) образуется при антиплоском сдвиге: перемещения берегов трещины совпадают с плоскостью трещины и параллельны ее направляющей кромке. В общем случае трещину можно описать этими тремя типами. Чаще всего в технике встречается трещина типа I, т.к. большая часть элементов конструкций разрушается в случае, если берега трещины перпендикулярны плоскости трещины.
Дефекты структуры тела, способствующие разрушению
Применяемые на практике металлы и сплавы представляют собой твердые растворы с упорядоченным и неупорядоченным аморфным распределением атомов. Твердые растворы могут содержать несовершенства четырех основных типов: точечные (нуль-мерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные). К первым относятся вакансии (свободные узлы кристаллической решетки) и межузельные (смещенные) атомы; ко вторым – цепочки точечных дефектов, различные типы дислокаций; к третьим – дефекты упаковки атомов, границы зерен, блоков, двойников и т.д.; к четвертым дефектам относятся поры, включения, выделения, технологические трещины и подобные образования, размеры которых намного превосходят межатомные расстояния.
Любой материал, какой бы технологической обработке он ни подвергался, всегда обладает каким-либо несовершенствами: большим количеством вакансий или межузельных атомов, большой первоначальной плотностью дислокаций, микротрещинами, включениями, дефектами изготовления. Каждое из этих несовершенств определенным образом влияет на прочность детали, т.е. на развитие в ней трещины. До сороковых годов XX в. наличие дефектов в деталях машин или элементах конструкций при расчетах на прочность не учитывалось. Считалось, что при достижении предельного значения напряжения конструкция мгновенно разрушается, т.е. процесс развития трещин во внимание не принимался. Однако анализ катастроф гражданских и промышленных объектов в авиации, в морском судоходстве показал, что развитие трещины занимает значительный период, предшествующий не только пластическому разрушению, но и усталостному, и даже хрупкому. Во всех этих случаях разрушение происходило без заметных остаточных деформаций. Наблюдения показали, что развитие трещины – сложный процесс и знание его закономерностей имеет огромное значение для практики.