ТРЕЩИНА, КАК ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ В МЕХАНИКЕ РАЗРУШЕНИЯ

Введение

С давних пор человек сталкивался с таким явлением как разрушение. Долгое время знания о прочности и разрушении накапливались случайно.

Что же представляет из себя разрушение? Истинная природа этого явления изучена далеко не полностью. Катастрофы танкеров и судов, самолётов и ракет, обрушение мостов, взрывы газопроводов, вызванные внезапный появлением и распространением трещины, показывают недостаточность существующих классических расчётов, необходимость в новых характеристиках разрушения.

Явление разрушения изучается с разных позиций, отражающих те или иные взгляды учёных на эту проблему. В частности, оно изучается с позиции механики сплошной среды. Использование основных положений, законов и методов механики сплошной среды при исследовании процесса разрушения определило развитие такой науки, как “механика разрушения”.

Основоположником механики разрушения можно считать Галилео Галилея, который установил, что разрушения образца не зависит от длины растягиваемого бруса и прямо пропорциональна площади поперечного сечения [1].

Механика разрушения

Механика разрушения включает в себя ту часть науки о прочности материалов и конструкций, которая связана с изучением несущей способности тела как как с учётом начальных трещин, так и без них, а также с изучением закономерностей зарождения и распространения трещин [1].

Известно, что разрушение представляет собой сложный, многоступенчатый процесс, который начинается задолго до появления видимых трещин. Ввиду отсутствия единой теории процесса разрушения изучают различные закономерности этого явления на разных масштабных уровнях [2].

Например, в опытах А.Ф. Иоффе с сотрудниками [3] была поставлена серия опытов по изучению по изучению прочности кристаллов каменной соли при различных состояниях поверхности образца. Было обнаружено, что прочность кристалла с растворённым в горячей воде поверхностным слоем во много раз превышает его техническую, достигая в некоторых случаях почти теоретической прочности. Как становится ясно, основная идея этих опытов заключалась в доказательстве того, что уменьшение реальной прочности происходит из-за поверхностных несовершенств.

Всем известный эффект Баушингреа или эффект жидкометаллического охрупчивания. Если нанести слой жидкого металла на поверхность твёрдого, например, Ga на Al, то прочность основного материала (в нашем случае это алюминий), резко снижается. Иногда до такой степени, что разрушение основного металла происходит под действием его собственного веса. При этом характер разрушения значительно изменяется, от транскристаллитного к интеркристаллитному [4], т.е. от процесса, когда разрушение происходит по телу зерна к разрушению, когда трещина распространяется по границам зёрен.

Основные виды трещин

На рисунке 1 далее представлены три основных основные виды трещин, образующихся под действием внешних нагрузок.

Рисунок 1. Основные виды смещений поверхности трещины

Следует сразу отметить, что именно кончик (вершина) трещины является местом создания наибольшей концентрации напряжений и исходной точной вероятнейшего дальнейшего разрушения. Именно поэтому огромное значение имеют исследования, главной целью которых является изучение области вокруг кончика трещины [1].

Так самый общий случай полей деформаций и напряжений у кончика трещины можно получить путём взаимного наложения напряжений следующих частных видов деформации (рис. 1). Первый вид (I) связан с отрывным смещением, при котором поверхности трещины прямо расходятся одна от другой. Второй вид (II) соответствует перемещениям, при которых при которых поверхности трещины скользят друг во другу. Третий вид (III) связан с антиплоской деформацией, при которой поверхность скользит по другой параллельно направляющему фронту трещины.

Далее приведены формулы, представляющие собой асимптотические выражения полей напряжений и деформаций в окрестности кончика трещины для каждого типа [5]

Так в работе [6] одной из целей являлось изучение особенностей формирования трещин при микроиндентировании поверхности алмазной пирамидой по методу Виккерса.

После 10³ циклов процесса усталостного циклического (усталостного) нагружения в аустенитной фазе монокристалла Ni₂MnGa наблюдается изменение деформационной картины у отпечатка индентора, проявляющееся в образовании трещин и каналов Розе, представленных на рис. 2, и которых в недеформированном циклической нагрузкой монокристалле не наблюдалось.

В ходе процесса циклического нагружения зарождение трещин у отпечатка индентора можно выделить следующие этапы: 1) скольжение, способствующее зарождению каналов Розе; 2) образование каналов Розе; 3) перерождение каналов Розе в микротрещины.

Рисунок 2. Система трещин у отпечатка пирамиды Виккерса на поверхности в аустенитной фазе Ni₂MnGa (стрелкой показаны каналы Розе)

Также в результате исследования образца был установлен любопытный факт образования дендритной трещины (рис. 3). Отличительной чертой такой трещины является то, что ее ветви располагаются под прямым углом к главной (более широкой) – стволовой трещине [6].

Рисунок 3. Дендритная трещина в аустенитной фазе монокристалла Ni₂MnGa (×100)

Заключение

Проблемы механики разрушения даже на сегодняшний день достаточно широки. До сих пор не удаётся точно определить причины возникновения трещины в том или ином месте конструкции, детали и закономерности её поведения.

Список литературы:

1. В.З. Партон, Е.М. Морозов. Механика упругопластического разрушения: учебное пособие. Издательство “Наука”. Москва, 1985, – 504 с.
2. Л.Б. Зуев • В.И. Данилов - С.А. Баранникова. Физика макролокализации пластического течения: учебное пособие. НОВОСИБИРСК: НАУКА, – 2008, 328 с.
3. А.Ф. Иоффе, М.В. Кирпичева, М.А. Левитская. Деформация и прочность кристаллов. Журнал русского физико-химического общества. 1924, вып. 56, с.489-503
4. Л.Б. Зуев, С.А. Баранникова. Физика прочности и экспериментальная механика: учебное пособие. Новосибирск: Наука. – 2011, 350 с.
5. Е.А. Николаева. Основы механики разрушения: учебное пособие. Издательство Пермского гос. тех. ун-т. 2010, 103 с.
6. О.М. Островский, Е.В. Шматок. Особенности механического двойни кования и локального разрушения монокристаллического сплава Ni2MnGa при интдентировании его поверхности. Вестник ТГУ. Тольятти, – 2013, том 18, вып. 4, 1924-1925 с.