Влияние типа напряженно-деформированного состояния на разрушение. Хрупкое, квазихрупкое и вязкое разрушение упругого тела.

_______________________________________________________________________________

Классификация видов разрушения

Под разрушением понимают исчерпание несущей способности конструкции, произошедшее вследствие наступления беспрепятственного пластического течения (за счет необратимых остаточных деформаций) или из-за накопления повреждений.

Начальное разрушение – образование и развитие пор, трещин и других нарушений сплошности (дефектов), распределенных по всему объему материала, которые понижают его прочностные свойства.

Полное разрушение – разделение тела на части.

Разрушения классифицируют:

1) в зависимости от величины деформации, которую получает материал в момент разрушения; 2) в зависимости от условий нагружения;

3) в зависимости от типа напряженно-деформированного состояния (НДС), которому приписывают ответственность за разрушение; 4) по структурным признакам (на микроуровне).

В зависимости от величины пластической деформации разрушение:
пластическое, хрупкое и квазихрупкое.

Пластическое разрушение

(вязкое или идеально-пластическое)

Происходит после существенной пластической деформации и является результатом исчерпания несущей способности (способности материала сопротивляться пластическим деформациям). Особенностью идеально-пластического разрушения является то, что во всех элементах конструкции эквивалентные напряжения достигают предела текучести.

Во всей зоне разрушения s = s_Т.

Хрупкое разрушение (упругое)

Происходит без пластических деформаций (например, при испытаниях на ударную вязкость).

После разрушения тело можно составить заново.

При этом виде разрушения нестабильный рост трещины происходит при напряжениях, меньших предела текучести.

Напряжения в зоне разрушения s < s_Т.

При хрупком разрушении пластическое деформирование сосредотачивается в очень небольшом объеме и чаще всего не поддается измерению.

Такое местное деформирование называется микропластическим.

О его наличии можно судить визуально при рассмотрении под микроскопом отдельных участков поверхности разрушения.

Квазихрупкое разрушение

При исследованиях изломов выявляется некоторая зона пластической деформации перед фронтом трещины и пластически деформированный (наклепанный) металл у ее поверхности, хотя картина разрушения такая же, как и для хрупкого материала.

Наблюдаются четкие признаки локального (местного) течения в зоне распространения трещины.

В вершине трещины s = s_Т.

Упрощенные схемы полностью хрупкого и полностью вязкого разрушения

Вязкое (идеально-пластическое) разрушение): скольжением (сдвигом, срезом).

Хрупкое (упругое) разрушение: отрывом после чисто упругого деформирования.

Часто образуется шейка до вытягивания в линию или точку.

Хрупкое и вязкое разрушение имеют разные виды разрушенной поверхности.

Возможно обнаружение на этой поверхности дефектов.

Напряженное состояние становится неоднородным.

Первоначальное напряженное состояние - одноосное.

Напряженное состояние становится трехосным.

Внутри шейки напряженное состояние - трехосное растяжение.

Хрупкое разрушение зачастую может развиваться с большой скоростью, вследствие чего оно представляет наибольшую опасность.

Пластичность и хрупкость не являются постоянными свойствами материала.

Большинство металлических материалов может разрушаться и пластично, и хрупко, в зависимости от температуры, скорости нагружения, концентрации напряжений и т.д.

Хрупкие разрушения объединяют ряд особенностей:

■ наличие концентраторов напряжений;

■ невозможность релаксации напряжений в момент начала роста образовавшейся трещины, т.е. действующие нагрузки и особенности НДС не позволяют напряжениям релаксировать в материале;

■ толщина сечения элементов конструкций. Как правило, хрупко разрушаются конструкции, имеющие сечения большей толщины. Однако хрупко могут разрушаться и конструкции с очень тонкими сечениями из стали и алюминиевых сплавов при действии переменных напряжений;

■ наличие охрупчивающих дефектов, возникающих при производстве материалов и конструкций – термообработка, сварка (трещины при сварке высокопрочных, закаливающихся сталей, чугунов, титановых сплавов и т.п.);

■ температура эксплуатации конструкции.

Хрупкие разрушения стальных конструкций наблюдаются главным образом при низких температурах.

Однако хрупко могут разрушаться и конструкции, работающие в области высоких температур.

Влияние условий нагружения

Разрушение может происходить:

– из-за потери устойчивости;

– при изменении напряжений во времени (ползучесть);

– при динамическом нагружении;

– при повторно-переменном нагружении (усталостное разрушение и (или) термическая усталость);

– коррозионное, в том числе и при коррозии под напряжением;

– при одновременном действии циклически изменяющихся температур и коррозионно-активной среды (например, разгар поверхности литейных форм);

– при трении и повторно-переменном механическом и (или) температурном нагружении (изучает трибофатика – Гомель, акад. НАН РБ Сосновский Л.А.).

Влияние типа напряженно-деформированного состояния (НДС)

Поля напряжений и деформаций или НДС описываются тензорами напряжений и деформаций:

совокупностью напряжений (s, t) и

деформаций (e, g).

Вблизи трещины НДС определяется методами теории упругости или экспериментально.

При нагружении тела в материале возникают упругие деформации, которые с увеличением нагрузки переходят в пластические.

В курсе " Теория упругости" рассматриваются плоское напряженное состояние (ПНС) и напряженное состояние плоской деформации или плоское деформированное состояние (ПДС).

Плоское напряженное состояние:

все действующие на материальную точку напряжения параллельны одной плоскости.

Например, в тонких пластинках и оболочках.

Закон Гука для ПНС:

Плоское деформированное состояние:

все точки тела перемещаются параллельно одной плоскости.

Например, в длинных призматических телах под действием поперечных сил, в толстых пластинах (плитах).

Объем и форма тела изменяются под действием напряжений

Относительное изменение объема определяется величиной и знаками главных напряжений:

Сумма главных напряженийне равна нулю: форма тела не изменяется, а изменяется его объем.

Увеличение объема будет происходить за счет увеличения расстояния между атомами, что может привести к разрыву тела. Это разрушение отрывом (сколом).

Сумма главных напряжений равна нулю: объем тела не изменяется, а изменяется его форма.

Это связано с появлением пластических деформаций и, соответственно, с действием касательных напряжений. Это разрушение сдвигом (срезом).

В пластической области деформирования любая остаточная деформация в металлах, в том числе и макроскопическая остаточная деформация при осевом растяжении осуществляется только за счет касательных напряжений, вызывающих деформацию сдвига на соответствующих площадках.

Экспериментально это подтверждается появлением линий Чернова-Людерса.

Упругая деформация сдвига при росте касательных напряжений переходит в остаточную пластическую деформацию сдвига, завершающуюся срезом.

Переход в пластическое состояние зависит от вида напряженного состояния

При одноосном напряженном состоянии

(растяжение)

(s₁¹ 0, а s₂=s₃=0)

пластические деформации развиваются при

s = s_Т.

При объемном напряженном состоянии

переход в пластическое состояние зависит от знака и соотношения главных напряжений.

Главные напряжения действуют по трем главным площадкам, имеют разные значения и знаки.

. Все главные напряжения имеют один знак.
Два главных напряжения будут сдерживать развитие деформаций в направлении третьего – имеющего экстремальное значение (s₁ или s₃).

Р азвитие пластических деформаций запаздывает, предел текучести повышается, а протяженность площадки текучести уменьшается. При этом возникает опасность хрупкого разрушения материала.

Главные напряжения имеют разные знаки, наблюдается обратная картина (в, г).

Пластические деформации начинаются раньше, чем главные напряжения достигнут предела текучести материала при одноосном нагружении.

Сталь становится как бы более пластичной.