Материала разрушению

отдельные участки, где происходит локальная максимальная деформация, нередко приводящая к разрыву материала. Разрушение можно предотвратить либо увеличением ТОЛЩИНЕ- заготовки, либо введением второго перехода с набором металла в заих листах, или конструктивным изменением днища.

Поверхность излома совпадает с исходной плоскостью разреза, однако, в зависимости от условий испытания и состояния материала разрушение может быть как хрупким, так и пластическим.

Разрушение материалов неорганического происхождения иногда имеет место вследствие пористости материала. Разрушение пористых материалов вызывается в основном возникновением is материале напряжений вследствие кристаллизации в порах солеи, отложения в них продуктов коррозии или вследствие замерзания в порах воды. При полном заполнении объема пор и вследствие отсутствия возможности расширения механическое разрушение материала неизбежно. Так, при температуре перехода воды в лед, т.е. при 0е С, плотность воды равна 0,99987 Л1;;/л;:1, а плотность чистого льда при 0° С равна (),91(>9 Me/At3. Из этих данных следует, что при замерзании воды ее объем увеличивается на 9%.

Концепция структурных уровней деформации [12] базируется на том, что процессы пластического течения, предразрушения всех материалов, существенным образом связаны со структурными неоднородностями (концентраторами разных масштабов), и разрушение рассматривается как завершающий этап эволюции внутренней структуры в ходе пластической деформации материала. Разрушение является локальным процессом и наступает тогда, когда материал в некоторой локальной области исчерпал свои аккомодационные возможности. Таким образом, разрушение, с одной стороны, - своеобразная аккомодация (подстройка элементов структуры друг к другу), а с другой - специфический способ диссипации подводимой к материалу энергии. Огромную роль при этом играют повороты, как материальные, так и кристаллографические, поскольку трансляции (в частности, сдвиг одной части материала относительно другой) приводит лишь к образованию внутренних границ соответствующего положения. Для раскрытия трещины любого масштаба требуется разворот ее берегов. Следовательно, в разрушающемся материале в зависимости от сложности его внутренней организации неизбежно должна возникнуть своя иерархия поворотов. Этот процесс обусловлен самоорганизацией поворотных мод и трансляционных сдвигов при пластической деформации на разных структурных уровнях. Он начинается с микроскопического уровня дефектов структуры, например с раскрытия микроповреждений на уровне дислокаций. Затем продолжается на мезосконических уровнях фрагментов структуры разных масштабов / и завершается в макрообъеме, обеспечивая расхождение берегов макротрещины. Поворот как аккомодационный процесс становится необходимым, когда трансляционный сдвиг неспособен обеспечить пластическую деформацию, необходимую для сохранения сплошности материала. В этом

В процессе фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей происходит непрерывное разрушение и восстановление микро-объемов вещества в пограничном слое в результате пластического деформирования, что приводит к разрыхлению этого вещества, диспергированию и выносу разрыхленного вещества из зоны контакта, т.е. к изнашиванию. Адсорбционно-химическое взаимодействие разрыхленной структуры с внешней средой способствует замедлению восстановительных процессов. При небольших нагрузках на трибосопряжение пограничный слой формируется лишь на микроскопических пятнах фактического контакта. При этом наибольший масштаб дефектов его структуры ограничивается субмикроиорами. Соответственно отделяемые частицы износа имеют малые (не более 1 мкм) размеры. В условиях больших нагрузок в пограничный слой втягиваются более глубокие слои материала, ограниченные контурной площадью контакта и характеризующиеся дефектами низшего порядка (микропорами). При этом размер отделяющихся частиц износа увеличивается более чем на порядок. Процесс изнашивания носит усталостный характер; образование фрагментов изношенного материала происходит через определенное многократное число взаимодействий.

Вязкость разрушения К\с является механической характеристикой материала, зависимой от условий воздействия на элемент конструкции. В случае наибольшего стеснения пластической деформации затрачиваемая энергия на разрушение минимальна, и это соответствует предельному случаю, когда имеет место хрупкое разрушение. В этом случае величина Кю является физической, а не механической характеристикой поведения материала и она не зависит от условий, в которых была определена. В указанном предельном случае она характеризует затраты энергии GIC на образование свободной поверхности по соотношению [1]

так и распространения трещины. В этом случае разрушение материала сохраняет автомодельность с точки зрения неизменности последовательно протекающих процессов накопления повреждений и достижения предельного уровня дефектов к моменту возникновения или страгивания трещины. Однако длительность этого процесса и затраты энергии зависят от того, в какой мере и в каких условиях внешнего воздействия была реализована работа пластической деформации. В первую очередь это относится к геометрии элемента конструкции, поскольку размеры твердого тела влияют на соотношение между объемами материала вдоль фронта трещины, находящегося в условиях плоского и/или объемного напряженного состояния.

Применительно к образцам предельную (минимальную) величину вязкости разрушения Кгс связывают с минимальными затратами энергии на вязкое разрушение материала [55-58]. Это позволяет сравнивать между собой материалы в подобных условиях опыта при соблюдении ограничения на толщину образца:

Важно подчеркнуть, что снижение раскрытия вершины трещины приводит не к снижению, а к возрастанию скорости роста трещины. Это происходит в результате того, что продвижение трещины не задерживает пластическая деформация, величина которой не может быть реализована в полной мере соответствующей пластическим свойствам материала. Разрушение происходит при сочетании таких двух факторов воздействия, как снижение скорости циклического нагружения, что повышает скорость роста трещины, и активизация разупрочнения материала в результате агрессивного воздействия среды.

Итак, предельное состояние материала с усталостной трещиной в случае интенсивного коррозионного воздействия подобно по КИН ситуации при обычном процессе усталости и равенстве размеров зон пластической деформации, если доминирующий механизм разрушения материала в вершине трещины остается неизменным. Тем самым подразумевается существование характеристики материала в виде эквивалентного предела текучести материала. Уменьшение работы пластической деформации за счет деструкции материала перед вершиной трещины может быть рассмотрено через снижение предела текучести материала. Это означает, что нестабильное разрушение с меньшими затратами энергии как бы обусловлено уменьшением размера зоны пластической деформации.

Водородное охрупчивание — одна из достаточно частых причин хрупкого разрушения. Очень резко сказывается роль водорода в напряженных сечениях, например, в результате предварительной местной пластической деформации. Так, при травлении или гальванопокрытиях около мест клеймения, ударов, даже отпечатков измерения твердости могут возникнуть хрупкие трещины. В зависимости от материала разрушение при

Надежность изделия, т. е. гарантия от случайных поломок тем выше, чем больше сопротивление материала разрушению (7'50, ар, /Cic).

Л. Жильмо [24] развил идею о том, что поглощенная при деформации единицей объема металла предельная энергия контролируется прочностью межатомной связи. Это означает, что данная энергия является фундаментальной характеристикой сопротивления материала разрушению. Приняв, что поглощенная при пластической деформации металла удельная энергия равна поглощенной удельной энергии разрушения W совершенного кристалла, Л. Жильмо выразил связь-между теоретической прочностью на отрыв ст, и энергией W в виде:

Нагружение металлов кратковременным импульсом нагрузки высокой интенсивности ведет к особому виду разрушения под действием растягивающих напряжений в области взаимодействия встречных волн разгрузки, называемому отколом. Исследованию этого вида разрушения посвящено большое число работ, основная цель которых — установление связи разрушающих напряжений в плоскости откола с параметрами нагрузки. Чаще всего по результатам экспериментальных исследований определяется зависимость разрушающих напряжений в плоскости откола от времени действия нагрузки или скорости нагружения [106, 280]. Вполне естественно, что знание зависимости напряжение — время в плоскости откола дает наиболее полную информацию о сопротивлении материала разрушению [105]. Этим объясняется интенсивный поиск путей построения такой зависимости по результатам эксперимента.

Действие тензора-девиатора способно само по себе привести к разрушению материала, однако для пластичных материалов, выдерживающих большие пластические деформации до разрушения, необходимо наличие растягивающих напряжений для развития такого процесса. Импульс растягивающих напряжений в плоскости откола имеет форму, близкую к треугольной, что позволяет связать максимальную величину растягивающих напряжений с равновесием между повышением нагрузки за счет взаимодействия волн нагрузки и снижением сопротивления материала разрушению вследствие повышения степени повреждения в плоскости откола. Поскольку переход к интенсивному развитию разрушения подготавливается повреждением в процессе пластического течения материала под растягивающей нагрузкой, величину пластической деформации, характеризующую степень повреждения, можно принять за критерий откольного разрушения.

В результате анизотропии св-в, влияния состояния поверхности вследствие наклепа при механич. обработке, натягов при сборке, остаточных напряжений после сварки, термич. обработки, правки, элек-тролитич. покрытий и т. п., в результате ударов и др. случайных перегрузок при эксплуатации могут возникать дополнительно к расчетным местные перенапряжения. Материал, неспособный снимать концентрацию напряжений пластич. деформацией, не выдержит местных перенапряжений и разрушится. До сих пор отсутствуют пути полного учета концентраций напряжений, обусловленные случайными технологич. и эксплуатац. местными перегрузками. При проектировании они учитываются путем введения в расчет запаса прочности, в к-рый обычно входит не сопротивление материала разрушению и, в частности, хрупкому разрушению а условная величина — предел прочности. Кроме того, при случайном характере местных технологич. и эксплуатац. перенапряжений возможно такое превышение расчетных напряжений, что в случае полного их учета запасы прочности оказались бы чрезмерно завышенными и конструкция более тяжелой. Следует также иметь в виду, что соотношение напряжений не является единственным критерием неразрушения, во мн. случаях та- РИС-КИМ критерием

Методом вдавливания шарика пли конуса на нек-рую заданную величину можно приближенно оцепить предел текучести материала. Иногда, преимущественно в исследовательских целях, определяют Т.царапанием, связанную по существу с сопротивлением материала разрушению. Твердость при царапа^ нии может служить косвенным методом определения истинного сопротивления разрушению Sk. Показано, что iS^ = 4,02

ТВЕРДОСТЬ ПРИ ЦАРАПАНИИ — свойство материалов сопротивляться локальному разрушению, осуществляемому острым наконечником из твердого материала (алмаза, закаленной стали, твердых сплавов), при нанесении царапины на поверхность образца или изделия. Т. при ц. оценивается количественно или шириной царапины при постоянной нагрузке на острие или величиной нагрузки, необходимой для нанесения царапины заданной ширины. Царапина наносится с помощью прибора (напр., Мартенса), после чего ее ширина измеряется с высокой точностью (до долей микрона). Особенность Т. при ц. заключается в ее нечувствительности к наклепу и зависимости только от истинного сопротивления материала разрушению (S^).

I. Зависимость сопротивляемости материала возникновению предельного состояния в локальной области от напряженного состояния и от истории нагружения. До сих пор при рассмотрении сопротивляемости материала разрушению или возникновению текучести имелась в виду работа его в условиях линейного напряженного состояния, изучаемого в опытах с образцами, подвергнутыми растяжению или сжатию, напряженное состояние в которых однородно. Вместе с тем в конструкциях материалу приходится работать и в иных, гораздо более сложных условиях — напряженное состояние материала может быть не линейным, а плоским или даже пространственным.

Опыт показывает, что сопротивляемость материала разрушению или возникновению текучести зависит от вида напряженного состояния, определяемого отношениями главных напряжений oa/at и 03/01- Так, например, если цилиндрический образец поместить в полость массивного очень жесткого тела, точно соответствующую его форме и размерам (рис. 8.1, а) и подвергнуть через штамп воздействию сжимающей силы, то вследствие стеснения поперечной деформации материал в образце испытает сжатие не только в направлении силы Р, но и в поперечных направлениях. Находясь в описанном состоянии, материал образца разрушится при напряжении P/F, большем по величине, чем то значение, которое обнаруживается в опыте с таким же образцом, но подвергнутым воздействию силы Р без стеснения поперечной деформации (рис. 8.1,6).

Лабораторный способ изнашивания об абразивную поверхность не воспроизводит условий службы деталей, тем не менее относительная износостойкость, определяемая.описанным выше методом, является характеристикой прочностных свойств материалов. Относительная износостойкость дает в безразмерных единицах количественную оценку сопротивления материала разрушению в предельно наклепанном состоянии.

Основой для проектирования детали является расчет, обеспечивающий правильный выбор формы и геометрических размеров ее сечений и соответственно гарантирующий сопротивление материала разрушению. О работе детали можно судить после проведения расчетов на прочность, выносливость или износостойкость. Так как долговечность в зависимости от условий работы детали определяется каким-то преимущественным видом разрушения, один из указанных расчетов (например, на прочность) может оказаться, собственно, расчетом на долговечность.