Механика деформирования и разрушения
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
?ичного течения. Так как процесс разрушения развивается медленно, наблюдается необратимое искажение формы, то разрушение не носит катастрофического характера.
усталостное разрушение. Однако надо иметь в виду, что пластичные материалы могут катастрофически внезапно хрупко разрушаться без заметной пластичной деформации, причем при напряжениях значительно меньших пределу прочности. Объясняется это постепенным очень медленным ростом трещин при повторной колебательной нагрузки и катастрофически быстром ростом трещин после достижения критической длины. Это усталостное разрушение при циклических нагрузках. Оно, в частности, объяснило серию катастроф в военное время с американскими судами типа "либерти", построенных из пластичной малоуглеродистой стали. Такое разрушение является и причиной других катастроф: с самолетами, мостами, резервуарами и т.д.
при ползучести. Ползучесть- медленная непрерывная пластичная деформация твердого тела под действием постоянной нагрузки. Разрушение происходит через длительное время по механизму пластичного разрушения. Типичная кривая ползучести:
Состоит из трех участков: неустановившейся ползучестью с уменьшением скорости пластичной деформации (1), установившейся с постоянной скоростью (2), ускоренной ползучести (3), когда в образце возникают микропоры и микротрещины, что заканчивается разрушением.
Коррозионное разрушение- под совместным действием длительной нагрузки и коррозионной среды, которая ускоряет процесс распространения трещины, чем значительно снижает прочность материала. Особенно сильно проявляется в случае высокопрочных низкопластичных материалах.
Динамическое разрушение- под действием динамических нагрузок. Главным образом гармонических (например, изменяющихся во времени по синусоиде) и ударных. Здесь существенную роль в процессах распространения трещин начинают играть возникающие при динамических нагрузках упругие волны, возникающие в объеме или на поверхности тела.
Тепловой удар- разрушение под действием внутренних температурных напряжений. Например, стакан лопается при наливании горячей воды или дерево лопается в сильный мороз. Здесь внутренние более горячие слои материала расширяются и давят на холодные внешние слои, вызывая в них растягивающие напряжения. При наличии трещин (царапин на поверхности) эти напряжения приводят к хрупкому разрушению. Часто температурные разрушения вызываются различием коэффициента термического расширения (КТР)
Обобщая можно сказать, что разрушение есть процесс зорождения и роста трещин под действием нагрузки.
Теоретическая прочность.
Это максимально возможная расчетная прочность идеального кристаллического тела. Сила межатомного взаимодействия зависят от межатомного расстояния x.
При равновесном межатомном расстоянии x=a=1A?=10-10м эти силы равны 0. При меньших расстояниях x?теор., то атомные слои беспрепятственно удаляются друг от друга, т.е. разрываются на части- разрушается. Кривую ?(х) можно условно принять за синусоиду, тогда:
?= ?теорsin( ), a ? x ? aкр
На начальной стадии находится почти линейный участок, который и обеспечивает справедливость закона Гука ?=Е?, где ?- относительная деформация:
?= при малых x, sinx?x
sin ?
?теор ? E
Однако очень тонкие нити (стальные, стеклянные) имеют прочность, приближенные к теор., также и нитевидные кристаллы, выращенные в особых условиях, которые практически не имеют дефектов.
Концентрация напряжений.
Всякого рода отверстия, вырезы, трещины в упругом теле приводят к существенному повышению напряжений в непосредственной близости от таких мест.
Возникновение локального, часто весьма опасного пика напряжений называется концентрацией напряжений.
Рассматриваемые растяжения пластичны эллиптическим вырезом, где 2а- ось, 2в- малая ось эллипса
Колосов и Инглис решили задачу о распределении напряжений и показали, что на поверхности вершины эллипса оно максимально:
?max= ?(1+2)
Теория Гриффитса для хрупкого разрушения.
Молодой английский ученый Гриффитс (27лет) в 1920году опубликовал статью "Явление разрушения и течения твердого тела", совершившую революцию в механике твердого тела. Он попытался достичь теоретической прочности на стекле, которое при 20?С является упругим вплоть до разрушения. Он брал свежевытянутые тончайшие нити и определял их прочность на разрыв. Обнаружил, что с уменьшением диаметра нити их прочность повышается и становится сравнима с теоретической.
Сильное отличие ?реал от ?теор Гриффитс объяснил наличием трещин, может быть и невидимых, но значительно превышающих по размеру межатомное расстояние. Эти трещины образуются самопроизвольно при изготовлении стеклянного волокна, чем больше диаметр волокна, тем больше может быть размер трещин, поэтому с ростом диаметра- прочность падает.
Но главная заслуга Гриффитса состоит в том, что он связал причины развития (роста трещины в теле) с процессами накопления и освобождения энергии упругой деформации тела (энергетический подход Гриффитса). Он