Введение в механику разрушения

Механика разрушения - это наука о напряженно-деформированном состоянии тел с трещинами, определении их предельно равновесного состояния, критических размеров трещин или величин нагрузок, оценке возможностей распространения трещин в элементах конструкций. Механика разрушения занимается также и вопросами, связанными с распространением усталостных трещин.

Различные материалы разрушаются по-разному. Можно указать на следующие виды разрушения: хрупкое, вязкое, квазихрупкое, смешанное. Принято различать виды разрушения по значениям или характеристикам таких параметров как вид поверхности излома при разрушении, энергетические затраты на разрушение, скорость распространения трещины.

При хрупком разрушении поверхность излома имеет кристаллический блестящий вид вследствие того, что разрушение происходит от действия нормальных напряжений преимущественно по граням куба кристаллической решетки (по плоскостям спаянности), которые хорошо отражают падающий на них свет. При хрупком разрушении пластическая деформация материала полностью отсутствует, поверхность излома практически гладкая и расположена под 90° к поверхностям листа (так называемый прямой излом). Поскольку при разрушении хрупких материалов отсутствует пластическая деформация, то и нет соответствующих затрат на ее осуществление. Энергия при хрупком разрушении тратится только на образование дополнительных поверхностей излома. Экспериментальным путем установлено, что скорость движения хрупкой трещины весьма большая до 2000 м/с. Теоретически доказано, что она может достигать 0,6 от скорости звука в материале (для стали - 3000 м/с).

При вязком разрушении поверхность излома имеет серый матовый "волокнистый" вид вследствие того, что разрушение происходит путем среза за счет касательных напряжений на плоскости, проходящей через пространственную диагональ куба решетки и это приводит к разрыхлению металла и образованию такого вида поверхности излома. При вязком разрушении большие объемы материала вовлекаются в пластическую деформацию, на что затрачивается огромное (в 1000 и более раз большее, чем при хрупком разрушении) количество энергии. Таким образом, энергетические затраты при вязком разрушении не сравнимы с таковыми при хрупком разрушении. Скорость движения вязких трещин существенно (примерно на порядок) меньше, чем хрупких. Квазихрупкое разрушение дословно переводится как подобное хрупкому, по крайней мере, по внешним признакам - виду поверхности излома, его ориентации к поверхности листа или детали (прямой излом), скорости распространения трещины. Что касается энергетических затрат, то они значительно выше, чем у хрупкого разрушения, поскольку при квазихрупком разрушении на поверхности излома формируется пластически деформированный слой металла толщиной от 0 до 0,5 мм по причине образования у вершины трещины пластической зоны определенного размера, которая в процессе движения трещины все время разделяется на две части и таким образом формирует указанный слой.

Смешанное разрушение имеем место в том случае, когда на поверхности излома возникают участки металла хрупкого разрушения наряду с аналогичными участками вязкого разрушения. Например, довольно часто наблюдается образование на поверхностях излома так называемых "губ среза" ("shear lip") со стороны поверхностей листа (утяжка металла по линии движения трещины). Главным в механике разрушения является вопрос о возможности распространения заданной трещины в конкретном элементе конструкции при конкретном характере и величине нагружения.

Критические значения трещиностойкости конструкционных материалов определяются путем лабораторных испытаний материалов по специальным методикам с использованием необходимых образцов, испытательных машин, приборов и применением иногда соответствующих вычислений. Для определения предела трещиностойкости материала К1С при плоской деформации испытывают на внецентренное растяжение так называемый компактный образец соответствующих размеров, в котором путем циклического нагружения при числе циклов не менее 5*10⁴, чтобы исключить существенные пластические деформации, создается усталостная трещина требуемого размера. Образец испытывается на разрывной машине с достаточно высокой жесткостью, чтобы запас упругой энергии в системе машина - образец был минимальным. По результатам испытаний строятся графики, по оси абсцисс которых откладывается раскрытие трещины по линии действия нагрузки, измеряемое с помощью специальных датчиков, которое характеризует прирост трещины, а по оси ординат - нагрузка. В зависимости от свойств материала и условий испытаний вид таких графиков может быть различным. Такие графики подробно анализируются в специальной литературе. По формуле, полученной применительно к данному образцу, вычисляется предел трещиностойкости и дополнительно по принятой методике выполняется анализ, преследующий цель убедиться в том, что при испытаниях имело место условие плоской деформации.

Критическое раскрытие трещины δ_С пределяется преимущественно при изгибе, что требует меньшей мощности испытательных машин по сравнению с растяжением. Процесс развития трещины определяется путем измерения расхождения сторон прорези в образце, в котором инициируется усталостная трещина.

Наиболее частой причиной разрушения многих конструкций является развитие в них усталостных и коррозионных трещин. С этим явлением связаны проблемы так называемого замедленного разрушения, которое объясняется тем, что небольшие начальные трещины растут в ходе эксплуатации конструкции, достигают критических размеров и приводят к внезапному хрупкому разрушению при сравнительно низких рабочих напряжениях. Явление усталости было обнаружено немецким ученым Велером более 100 лет назад. Последующие исследования позволили найти причину преждевременного хрупкого разрушения конструкций при циклических нагрузках. Картину разрушения конструкции под воздействием циклической нагрузки, меньшей предела текучести, можно представить себе в общих чертах таким образом. Вначале в образце нет каких-либо видимых изменений. Затем, начиная с некоторого числа циклов, в материале обнаруживаются дислокации, субмикротрещины, которые растут с увеличением числа циклов и материал постепенно разрыхляется. Далее появляются микротрещины и продолжается процесс разрыхления и местного течения. Заключительная стадия характеризуется ростом одной макротрещины, приводящим к хрупкому разрушению образца. Фрактографическое исследование позволяет обнаружить после разрушения на поверхностях трещины характерные бороздки, которые на снимках выглядят как годичные кольца деревьев. Эти бороздки представляют собой следы подрастания трещины в течение каждого цикла.