Разрушение (механика)
Разруше́ние (англ. fracture; failure) или разруше́ние материа́ла в механике деформируемого твёрдого тела — зарождение и развитие в материале дефектов и (или) разделение объекта на части[1].
Основные понятия[править]
В широком смысле слова под разрушением понимается достижение материалом такого состояния, когда нарушается конструктивная функция твёрдого тела и оно становится непригодным к эксплуатации. В прямом, но более узком смысле слова, под разрушением (как исчерпанием прочности) понимается разделение тела на части. Определение механических напряжений или деформаций в телах ещё не даёт ответа на вопрос об их реальной прочности. Поэтому основной областью применения таких наук, как сопротивление материалов, и в целом механики деформируемого твёрдого тела, является оценка прочности реальных материалов и элементов конструкций с учётом условий их эксплуатации.
Очевидно, что для пластичных материалов под разрушением следует понимать возможность появления недопустимо больших деформаций в детали или конструкции, что приводит к потере ими своего функционального назначения. Следует заметить, что для пластичных материалов выполнение условия пластичности в одной точке тела ещё не означает потери несущей способности тела в целом. Поэтому расчёт по методу допустимых напряжений для пластичного материала безусловно гарантирует прочность элемента конструкции. В то же время деформации остаются в пределах допуска, и поэтому обнаруживается значительный резерв прочности. При увеличении внешней нагрузки зоны достижения пластичности расширяются и наконец сливаются, вследствие чего тело претерпевает значительные деформации. Поэтому для пластичных материалов основой расчёта на прочность является расчёт по методу допустимых нагрузок.
С другой стороны, пластичные материалы при низких температурах разрушаются без заметных пластических деформаций. Такое разрушение называют хрупким, и оно наступает вследствие разрыва материала. Разрушение хрупкого материала начинается локально с отдельной микротрещины путём её разрастания. Локальное разрушение служит источником концентрации напряжений и может послужить началом мгновенного разрушения тела в целом путём разделения на части. Поэтому расчёт хрупких материалов на прочность по допустимым напряжениям в наиболее напряжённой точке тела во многих случаях является оправданным.
Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным. Например, хрупкие материалы (бетон, гранит и т. д.) при высоком давлении и температурах обнаруживают значительные пластические деформации.
Существенную роль в оценке прочности играет время. Разрушение является процессом, развёртывающимся во времени, и поэтому может произойти при различных напряжениях. Так, в условиях ползучести вводится понятие времени разрушения, предела длительной прочности (напряжения, приводящего к разрушению через определённое время). Другими факторами, существенно влияющими на поведение материалов в условиях механических нагрузок, являются температура и среда эксплуатации.
Итак, проблема прочности и разрушения зависит от многих факторов и является сложной.
Напряжение разрушения[править]
1. Предел прочности
2. Предел текучести
3. Разрушение
4. Область деформационного укрепления
5. Область деформационного разупрочнения
A: Условное напряжение (F/A0)
B: Истинное напряжение (F/A)
Напряжение разрушения разрывом — это напряжение растяжения, при котором испытуемый образец подвергается разрушению. Эта характеристика, преимущественно, определяется для данного образца при испытании на растяжение на разрывных машинах по диаграмме деформирования. Она соответствует крайней правой точке на диаграмме.
Пластичные материалы подвергаются разрушению при нагрузках, меньших за предел прочности на разрыв, тогда как у хрупких материалов нагрузка разрушения эквивалентна пределу прочности. Если пластичный материал достигает своего предела прочности на растяжение в условиях контролируемой нагрузки, он будет продолжать деформироваться без роста нагрузки вплоть до разрушения. Однако при растяжении в условиях контролируемого перемещения будет наблюдаться уменьшение нагрузки.
Если диаграмму деформирования выразить в истинных напряжениях и деформациях, то она не будет иметь спадающей части перед разрушением, поскольку истинное напряжение рассчитывается по фактической площади поперечного сечения, которая уменьшается в условиях растяжения. Истинная удельная нагрузка на материал во время разрыва известна как напряжение разрушения. Это максимальное напряжение на истинной диаграмме деформирования (точка 3 на кривой В).
Классификация видов разрушений[править]
По своему характеру разрушения можно разделить на следующие виды.
Вязкое (пластическое) разрушение[править]
Вязкое разрушение — разрушение, сопровождающееся развитием пластических деформаций в материале[1]. Происходит после существенной пластической деформации, имеющей место по всему или почти по всему объёму тела. Примером вязкого разрушения может служить разрыв образца из отожжённой меди после 100 % сужения шейки при растяжении, происходящий вследствие потери способности материала сопротивляться пластической деформации.
Хрупкое разрушение[править]
.jpg)
Хрупкое разрушение — разрушение без следов пластических деформаций в материале[1]. Происходит вследствие распространения магистральной трещины после пластической деформации, сосредоточенной в области действия механизма разрушения. Хрупкое разрушение подразделяется на идеально хрупкое и квазихрупкое (кажущееся хрупким).
Идеально хрупкое, или хрупкое, разрушение происходит без пластической деформации. После разрушения можно заново сложить тело прежних размеров из осколков без зазоров между ними.
Квазихрупкое разрушение предполагает наличие пластической зоны перед краем трещины (локальная зона пластической деформации) и наклёпанного материала у поверхности трещины. Остальной, значительно больший по величине, объём тела находится при этом в упругом состоянии.
Усталостное разрушение[править]
Усталостное разрушение — разрушение материала под действием повторно-переменных (часто циклических) напряжений вследствие накопления необратимых повреждений. При этом виде разрушения на поверхности тела сначала появляются микротрещины, одна из которых вследствие многократного приложения нагрузки разрастается до макротрещины с последующим полным разрушением образца или детали машин. Различают многоцикловую или малоцикловую усталость.
Многоцикловая усталость, или просто усталость, характеризуется номинальными напряжениями, меньшими предела текучести; повторное нагружение происходит в упругой области вплоть до разрушения. Число циклов нагружений составляет 105 и более.
Малоцикловая усталость характеризуется номинальными напряжениями, превышающими предел текучести. При каждом цикле нагружения в теле возникает макроскопическая пластическая деформация. При таком виде нагружения число циклов нагружений до разрушения не превышает 104…105.
Разрушение в условиях ползучести[править]
Разрушение в условиях ползучести наблюдается при нагрузках при достаточно высоких температурах в поликристаллических металлах и в пластмассах. В этих условиях в металлических материалах связи на границе кристаллических зёрен становятся слабее, чем сами зёрна, и значительная часть деформации ползучести происходит за счёт скольжения зёрен относительно друг друга. Это скольжение имеет характер вязкого течения, которое испытывает сопротивление, так как зёрна из-за неправильной формы взаимодействуют с соседними зёрнами. Скольжение становится возможным за счёт пластической деформации зёрен и сопровождается появлением межзёренных трещин, которые приводят к разрушению. Различают несколько разновидностей такого разрушения.
Процесс ползучести, как правило, можно разделить на три стадии: 1 — неустановившуюся, или первичную, ползучесть, во время которой скорость деформации уменьшается; 2 — установившуюся, или вторичную, ползучесть, при которой скорость деформации практически постоянна; и 3 — третичную ползучесть, при которой скорость деформации ползучести увеличивается (часто довольно быстро) вплоть до разрушения. Такой вид разрушения часто называется разрывом при ползучести.
Термическая релаксация наблюдается, когда в процессе ползучести, приводящей к релаксации предварительно напряжённой или деформированной детали, её размеры изменяются так, что деталь уже не может выполнять предназначенную ей функцию. Например, если предварительно напряжённые болты сосуда, работающего в условиях высоких температур, релаксируют вследствие ползучести так, что нагрузка от максимального давления превышает предварительную нагрузку и герметичность соединения нарушается, говорят, что болты разрушаются вследствие термической релаксации.
Разрыв при кратковременной ползучести тесно связан с процессом ползучести, однако при этом значения напряжений и температуры таковы, что элемент вязко разделяется на две части за относительно короткий период времени. В этих условиях период установившейся ползучести является очень непродолжительным или отсутствует вовсе.
Коррозионное разрушение[править]
Коррозионное разрушение происходит за счёт химических и электрохимических процессов и реакций. Коррозия обычно не изменяет механических свойств материала, а приводит через эрозию материала к постепенному равномерному уменьшению размеров нагруженной детали или появлению концентраторов напряжений, например, вследствие постепенного растворения. В результате напряжения, действующие в опасном сечении, возрастают и, когда они превысят предельный уровень, произойдёт разрушение. Различают несколько разновидностей коррозионного разрушения.
Разрушение вследствие коррозии под напряжением наблюдается, когда механические напряжения приводят к возникновению локальных поверхностных трещин, расположенных обычно вдоль границ зёрен, в детали, находящейся в коррозионной среде. Часто образование трещин инициирует начало процессов разрушения других видов. Разрушение вследствие коррозии под напряжением — опасный вид коррозионного разрушения, которому подвержены чугуны, стали, медные и алюминиевые сплавы.
Разрушение вследствие коррозионного износа является сложным видом разрушения, при котором неблагоприятные последствия коррозии и износа приводят совместно к потере работоспособности детали. В процессе коррозии часто образуются твёрдые абразивные частицы, которые ускоряют изнашивание, а в процессе изнашивания, в свою очередь, с поверхности постоянно удаляются защитные слои и обнажается свежий металл, что ускоряет коррозию. Взаимное влияние этих процессов друг на друга существенно повышает опасность разрушения.
Коррозионная усталость представляет собой сложный вид разрушения, при котором совместно сказываются неблагоприятные эффекты коррозии и усталости, приводящие к разрушению. В процессе коррозии на поверхности металла часто образуются ямки, которые становятся концентраторами напряжений. В результате концентрации напряжений процесс усталостного разрушения ускоряется. Кроме того, трещины в тонком слое продуктов коррозии служат зародышами усталостных трещин, распространяющихся в основной металл. С другой стороны, вследствие действия циклических напряжений или деформаций происходит растрескивание и отслаивание продуктов коррозии, то есть открывается доступ коррозионной среды к свежему металлу. Таким образом, оба процесса ускоряют друг друга, и опасность разрушения возрастает.
Другие виды разрушения[править]
К другим видам разрушения могут быть отнесены: бринеллирование, кавитационное разрушение, изнашивание (абразивное, ударное, адгезионное и т. д.), фреттинг, разрушение вследствие радиационного повреждения, разрушение вследствие потери конструктивной устойчивости и т. п.
Примечания[править]
Литература[править]
- Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие: В 4-х т. /Под ред. В. В. Панасюка. — К.: Наукова думка, 1988. — т.1. — 488с.; 1988. — т.2. — 620 с.; 1988. — т. 3. — 436 с.; 1990. — т.4.- 680 с.
- Опір матеріалів. Підручник /Г. С. Писаренко, О. Л. Квітка, Е. С. Уманський. За ред. Г. С. Писаренка — К.: Вища школа, 1993. — 655 с. — ISBN 5-11-004083-4
- Нотт Дж. Основы механики разрушения. М: Металлургия, 1978. — 256 с.
- Механіка руйнування зварних конструкцій: Курс лекцій. / Укладач: Ясній П. В. — Т.: ТДТУ, 2006. — 100 с.
- Міцність конструкційних матеріалів при малоцикловому навантаженні за умов складного напруженого стану / Ф. Ф. Гігіняк, А. О. Лебедєв, О. К. Шкодзінський; За ред. А. О. Лебедєва ; НАН України, Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка. — К. : Наукова думка, 2003. — 271 с.: рис. — (Проект «Наукова книга»). — ISBN 966-00-0786-8
- Хеллан К. Введение в механику разрушения. М: Мир, 1988. — 364 с.
 | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Руниверсалис» («Руни», руни.рф) под названием «Разрушение (механика)», расположенная по адресу:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA. Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?». |
|---|