Критерии разрушения характерные признаки разрушения реферат

Обновлено: 07.07.2024

На величину, определяемую циклическим методом, форма образцов и амплитуда нагружения не оказывают влияния. Результаты идентичны при испытании на выносливость или на малоцикловую усталость, что позволяет в сравнительно короткое время накопить по важнейшим машиностроительным материалам необходимые данные по новым критериям разрушения,. Различия в значения при определении статическими и циклическими… Читать ещё >

прогнозирование работоспособности строительных материалов в конструкциях и изделиях

Силовой критерий разрушения — K1c ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Гриффитс вывел свое уравнение для стекла — очень хрупкого материала. Он предполагал, что величина, т. е. энергия, расходуемая на распространение трещины, определяется только поверхностной энергией. В вязких материалах, например, металлах, при вершине трещины образуются пластические деформации. Для образования новой зоны пластических деформаций при вершине трещины необходима большая энергия.

Модель развития трещины для пластического материала показана на рис. 3.

Рис. 3.

Предполагается, что при нагружении пластины с надрезом в зоне надреза на расстоянии c от края пластины появляется пластическая зона диаметром e, в которой действует постоянное напряжение. По мере удаления от этой зоны напряжение падает. Поскольку пластическая зона должна быть образована в процессе роста трещины, то энергию, необходимую для распространения трещины, считают равной энергии, необходимой для образования этой трещины. Это означает, что в металлах величина определяется главным образом энергией деформации в пластической зоне; поверхностная энергия в этом случае настолько мала, что ею пренебрегают. Исходя из этих соображений, американский ученый Д. Ирвин, развивая идеюГриффитса, предложил величину назвать силой, необходимой для распространения трещины на 1 см. Если сила распространения трещины G превысит критическое значение, то трещина будет распространяться самопроизвольно. Таким образом, критерием разрушения является Для плоского напряженного состояния, а при плоском деформированном состоянии Величина G достигает своего критического значения при критическом значении, т. е. опасность разрушения определяется величиной ,. Если в это произведение включить р, то получим ту же зависимость, которая в свое время была получена Гриффитсом:

Предельное значение коэффициента K Ирвин обозначил через и назвал коэффициентом вязкости разрушения.

Величина играет в механике разрушения доминирующую роль, определяя вязкость разрушения материала при достижении критической интенсивности напряжения. Коэффициент имеет размерность Н/мм3/2.

Важность данной характеристики общепризнанна. Сложность этого мероприятия состоит в трудоемкости методов оценки, особенно для пластических материалов и сплавов, поскольку требуются испытания образцов чрезвычайно больших размеров. Так, для стали с пределом прочности 500…700 МПа для создания плоской деформации при комнатной температуре необходимо проводить испытания на образцах толщиной 250 мм, высотой 610 мм, шириной 635 мм, для титановых сплавов соответственно 120Ч400Ч80 мм.

В настоящее время используются два метода определения коэффициента вязкости разрушения: статический и циклический.

— напряжение в опасном сечении, соответствующее началу разрушения образца;
— критическая длина трещины.

Исследованиями установлено, что чем больше толщина образца, тем меньше зона пластической деформации и тем быстрее происходит процесс хрупкого разрушения методом отрыва, т. е. вершина трещины образца находится ближе к плоскому напряженному состоянию, чем к плоскому деформированному состоянию.

Поскольку значения являются искомыми, толщина образца d предварительно выбирается в зависимости от отношения. В табл.22.2 представлены рекомендуемые толщины образцов в зависимости от .

Во время проведения опыта при определенной величине нагрузки на образец часто наблюдается предкритическое раскрытие трещины, за которым при дальнейшем повышении нагрузки следует скачок трещины.

Циклический метод определения заключается в том, что при одном или нескольких уровнях напряжений испытывают на усталость цилиндрические или плоские образцы (гладкие или с надрезом) до разрушения. Затем на измломеопределяют длину (при плоском образце со сквозной щелью) или глубину (при цилиндрическом образце) критической усталостной трещины. Метод был предложен профессором В. С. Ивановой .

Для цилиндрических образцов при испытании на изгиб с вращением (обычная выносливость) где у — действующее максимальное брутто-напряжение цикла;

lk — критическая длина трещины.

Для количественной оценки нового критерия прочности с основной механической характеристикой в табл.1 приведены данные трех широко распространенных материалов.

Многолетняя практика показывает, что трещины играют определяющую роль при разрушении конструкций, изготовленных из высокопрочных материалов. Разрушение обычно начинается от исходных микродефектов при весьма низких напряжениях. Любые факторы, способствующие росту трещин в процессе эксплуатации инженерных сооружений, представляют большую опасность. К ним относятся: радиационное и коррозийное повреждения, влияние активной внешней среды (жидкой или газообразной). Далее рассматриваются некоторые из этих воздействий.

Основным исходным положением механики разрушения является то, что нестабильное развитие трещин начинается тогда, когда коэффициент интенсивности K напряжений у вершины трещины достигает критической величины K_c . Значение K_c зависит от многих факторов. С помощью соответствующих экспериментов, возможно определить критический коэффициент интенсивности напряжений.

Пусть T = Dσ (где D = 2a – атомный диаметр) сила взаимодействия между двумя параллельными рядами атомов, отнесенная к единице длинны этих рядов. Зависимость Т от изменения расстояния между атомами 2η имеет вид, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1– Зависимость Т от изменения расстояния между атомами 2η

Одной из подходящих аппроксимаций этой зависимости будет выражение

(1)

После некоторых преобразований формулы (1) выражается плотность поверхностной энергии упругого твердого тела :

(2)

где - предел прочности на разрыв, E – модуль Юнга.

Стоит заметить, что прочность материала зависит именно от значения . Так же радиационное и коррозийное повреждения и воздействие агрессивной внешней среды тоже влияют именно на этот параметр.

На рисунке 2 приведена диаграмма напряжений при растяжении для данного материала.

Рисунок 2 – Диаграмма напряжений при растяжении

где - предел пропорциональности, - текучести, -прочности.

Исследования показывают, что облучение нейтронами приводит к возникновению в металлах резкого предела текучести, типа наблюдающегося у железа. Одновременно заметно увеличивается величина предела текучести и меньше – предела прочности. Отношение предела текучести к пределу прочности при этом возрастает, поэтому равномерное удлинение (ε%) обычно уменьшается, иногда очень резко (рисунок 3).

Рисунок 3– Влияние облучения нейтронами (5 10 19 медленных нейтронов на 1 см 2 при 100°С) на кривую напряжение-деформация для меди. Пунктирные кривые – облученные образцы, сплошные – необлученные

Таким образом, облучение приводит к упрочнению металла. Даже после кратковременного облучения предел текучести выше, чем до облучения, а также обнаруживается несколько большая температурная чувствительность в интервале температур от 0 до -100° С.

Существуют и другие особенности радиационного упрочнения:

1. В металлах, подвергнутых холодной деформации, радиационное упрочнение менее заметно, чем в отожженных металлах.

2. Отжиг[1] влияет на радиационное упрочнение.

3. В сплавах могут возникать дополнительные эффекты при облучении, связанные, например с ускорением фазовых превращений.

Для разрушения наибольшее практическое значение имеет повышение критической температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому (для хладноломких металлов). Кроме железа и стали, это влияние было обнаружено в молибдене и вольфраме. В качестве иллюстрации величины этого эффекта можно привести результаты экспериментов на мягкой стали, которая перед облучением имела критическую температуру - -60° С. Облучение потоком 4,4×10 19 быстрых нейтронов на 1 см 2 повысило переходную температуру до + 25° С, а облучение потоком 1,2×10 20 быстрых нейтроном на 1 см 2 повысило ее до +60° С.

Другой вид эффекта охрупчивания заключается в развитии внутренних трещин.

Эффекты при облучении:

· Разбухание урана – процесс, в котором важную роль играет эффект трансмутации[2] атомов. Во время деления урана возникают газы ксенон и криптон, и уран сильно пересыщен этими газами.

· Фазовые превращения. При высокой температуре сплав U-9%Мо было обнаружено фазовое превращение, происходящее в результате облучения. При высокой температуре этот сплав является однофазным, но при более низкой температуре распадается с образованием пластинчатых выделений урана и U₂ Мо.

· При облучении монокристаллов альфа-урана, обнаружено, что кристалл удлиняется в одном кристаллографическом направлении, сокращается в другом, а в третьем – остается без изменений.

Металл может быть пластичным в одной среде, например в воздухе, но очень хрупким в другой, например, в некоторых коррозионно-активных растворах или жидких металлах. Этот вид поведения металлов называют коррозией под напряжением. Вероятно, наиболее широко известный пример такого поведения – эффекты, наблюдаемые на отожженной альфа-латуни, которая в воздухе пластична и разрушается при напряжении около 30 кг/мм 2 , а в жидкой ртути разрушается при напряжении примерно в десять раз меньшем и не обнаруживает при этом почти никакого удлинения.

Основным фактором при хрупком разрушении является энергия новых поверхностей, возникающих во время разрушения. Для разрушения, происходящего при малых напряжениях; эта энергия должна быть малой величиной.

В химически активных средах процессы, усложняются под действием, по меньшей мере, трех факторов. Во-первых, энергия химической реакции может быть достаточной для возникновения новой поверхности. Так, например, энергия химических реакций алюминия во многих средах во много раз выше, чем поверхностная энергия алюминия. Это приводит к существованию второго фактора. Причиной того, что, например, алюминий обычно не подвергается самопроизвольному растворению, является то, что продукт реакции между металлом и средой существует в форме пленки, не пропускающей жидкую фазу и отделяющей металл от среды. Хорошо известно, что такая ситуация возникает часто, примерами могут служить алюминий и нержавеющая сталь в атмосфере воздуха. В свою очередь, этот эффект приводит к существованию третьего – влияния примесей на продукт реакции.

Прочность твердых деформируемых тел рассмотрим на примере влияния двух газов(водород и кислород) на сталь.

Газообразный водород имеет существенное влияние на докритический рост трещин в высокопрочных сталях. Как показано на рисунке 4, докритический рост трещины в очищенном водороде при давлении 1 атм начинается при меньшем коэффициенте интенсивности напряжений и идет с большей скоростью. Распространение трещины происходит при известном давлении и известном значении коэффициента интенсивности. При комнатной температуре в свободном состоянии водород находится практически полностью в молекулярном виде. Однако водород может диссоциировать в результате хемосорбции на железе и можно допустить, что источником хрупкости его является адсорбированный водород. Хемосорбция водорода на железе фактически мгновенна, и это совместимо с отсутствием инкубационного периода инициирования трещин.

Рисунок 4 – Докритический рост трещины для стали Н-11 с пределом текучести 158 кГ/мм 2 в средах водорода и влажного аргона

● – чистый водород при давлении 1 атм, К = 64 кГ/мм 2

■ – увлаженный (100%) аргон, К = 80 кГ/мм 2

Кислород воздействует на рост докритической трещины в равной степени разительно, но в противоположном направлении. Кислород препятствует инициированию докритической трещины и даже останавливает уже распространяющуюся трещину. Это влияние показано на рисунках 5 и 6, где показан рост трещин в смесях газов с различным содержанием аргона, азота, водяных паров, водорода и кислорода. Очевидно, что всего лишь 0,6% кислорода достаточно, чтобы практически мгновенно приостановить докритический рост трещины. Остановленная кислородом трещина может начать расти вновь лишь после полного удаления кислорода из окружающей среды; это позволяет предположить, что поверхность у вершины трещины адсорбирует кислород более предпочтительно, чем водород и пары воды.

Рисунок 5 – Влияние кислорода на докритически рост трещины в стали Н-11с пределом текучести 158 кГ/мм 2 в среде увлаженного водорода 1 – увлажненный водород с 0,7% кислорода; 2 – увлаженный водород

Рисунок 6 – Докритический рост трещины для стали Н-11 с пределом текучести 158 кГ/мм 2 в различных средах 1 – вода; 2 – увлаженный аргон с кислородом (равные объемы); 3 – увлаженный аргон с водородом; 4 – чистый водород; 5 – увлаженный аргон с кислородом (равные объемы); 6 – увлажненный аргон.

С точки зрения практики положительное влияние кислорода является очень важным случаем. Представляется вероятным, что именно кислород обеспечивает невосприимчивость к докритическому росту трещин в деталях из высокопрочных сталей во многих естественных средах. Например, кривые роста трещины для стали H-11 фактически идентичны на воздухе и в среде очищенного аргона.

1. Д.Мак Лин Механические свойства металлов. М.:Металлургия,1965.

2. Под ред. Г.Либовиц Разрушение, том 3, М.:Мир,1976.

3. Новожилов В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкой прочности. ПММ, М.:Наука,1969.

4. Новожилов В.В. К основам теории равновесных трещин в хрупких телах. ПММ, М.:Наука,1969.

5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.:Наука,1976.

[1] Отжиг — вид термической обработки металлов и сплавов, главным образом сталей и чугунов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении.

[2] Трансмутация атомов— превращение атомов одних химических элементов в другие в результате радиоактивного распада их ядер либо ядерных реакций.

Анализ напряженного и деформированного состояния в окрестности вершины трещины в упругой стадии для пластины с эллиптической щелью. Силовые, деформационные и энергетические критерии разрушения. Экспериментальные методы определения критериев разрушения.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	учебное пособие
Язык	русский
Дата добавления	12.01.2016
Размер файла	3,9 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Создание метода определения параметров линейной механики разрушения на основе измерения деформационного отклика с помощью электронной спектр-интерферометрии. Параметры механики разрушений для трещин, распространяющихся в поле остаточных напряжений.

контрольная работа [811,2 K], добавлен 03.09.2014

Исследование разрушения соединительных болтов, верхнего и нижнего поясов подъемного крана. Определение силовых факторов в стреле крана. Проверка прочности и устойчивости верхнего пояса. Расчетное обоснование разрушения болтов фланцевого соединения.

курсовая работа [2,9 M], добавлен 06.01.2014

Трещина в конструкции. Коэффициент концентрации напряжений. Критерий Гриффитса. Скорость высвобождения упругой энергии. Напряжения при наличии трещин в материале. Проведение испытания образцов. Энергий разрушения. Определение удельной энергии разрушения.

отчет по практике [583,0 K], добавлен 17.11.2015

Основные виды коррозионно-механического разрушения трубопроводов, механизмы абразивной эрозии и способы защиты металла от разрушения абразивными частицами. Принципы получения экспериментальных данных для создания и корректировки моделей абразивной эрозии.

дипломная работа [977,4 K], добавлен 25.02.2016

Рассмотрение целей и задач материаловедения. Кавитация как образование в жидкости полостей, заполненных паром. Особенности определения параметров, влияющих на процессы диспергирования и кавитационного разрушения. Виды эрозионного разрушения материалов.

Простое разрушение — это разделение тела на две или более частей, происходящее при приложении статического (т.е. постоянного или медленно изменяющегося во времени) напряжения при температуре, сравнительно низкой по сравнению с температурой плавления материала. При этом приложенные напряжения могут быть растягивающими, сжимающими или сдвиговыми.

Разрушение конструкционных материалов может происходить по одному из двух путей: оно может быть пластичным или хрупким. Эта классификация основана на том, могут ли в материале создаваться пластические деформации. Для пластических материалов характерны большие пластические деформации, т.е. материалы поглощают большую энергию деформирования до наступления разрушения. При хрупком разрушении, напротив, пластические деформации либо отсутствуют, либо они очень малы и поглощения энергии до разрушения не происходит.

При приложении растягивающего напряжения большинство металлических сплавов ведут себя как пластичные материалы, а керамики разрушаются хрупко; для полимеров возможно разрушение по обоим путям.

ПЛАСТИЧНОЕ РАЗРУШЕНИЕ

Характер поверхности, по которой произошло пластические разрушение, имеет свои особенности как на макро‐, так и на микроуровне. Все очень пластичные материалы, например, чистое золото или свинец при комнатной температуре, а также другие металлы, полимеры и неорганические стекла при повышенных температурах при наступлении разрыва образуют суживающуюся шейку, так что уменьшение площади поперечного сечения составляет практически 100%.

При разрушении пластичных металлов образуется лишь умеренно суживающаяся шейка. При этом процесс разрушения обычно осуществляется в несколько стадий. Вначале после того, как появляется шейка, возникают небольшие каверны, или микропустоты внутри поперечного сечения. Затем, по мере развития деформаций, эти микропустоты увеличиваются и сливаются друг с другом так, что образуется эллиптическая трещина с длинной осью, ориентированной перпендикулярно направлению действия напряжения. Трещина продолжает расти в направлении, параллельном своей главной оси путем коалесценции микропустот. И на конечной стадии наступает разрушение вследствие быстрого распространения трещины вокруг наружного периметра шейки путем сдвиговых деформаций, происходящих под углом 45° по направлению к оси растяжения. Это тот угол, под которым касательные напряжения максимальны.

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

Хрупкое разрушение происходит в отсутствие заметных деформаций путем быстрого распространения трещины. Направление развития трещины почти строго перпендикулярно направлению приложения нагрузки, а поверхность разрыва в этом случае получается сравнительно гладкой.

Характер поверхности разрыва, образующийся при хрупком разрушении, весьма специфичен именно для этого вида разрушения. При этом какие‐либо заметные следы пластических деформаций отсутствуют. Так, например, при разрушении образцов из некоторых сталей вблизи центра сечения, по которому произошел разрыв, заметна серия V‐образных меток, которые направлены к месту зарождения трещины. Лишь при хрупком разрушении на поверхности разрыва образуются гребни, которые расходятся от места зарождения трещины подобно вееру. Довольно часто оба этих типа отметин бывает сложно обнаружить невооруженным глазом. При разрушении очень жестких мелкозернистых металлов вообще отсутствует сколько‐нибудь различимая картина излома. Поверхности разрушения аморфных материалов, таких как керамические стекла, выглядят блестящими и гладкими.

При разрушении некоторых сплавов трещина походит по границам зерен. Такой тип разрушения называют межзернистым. Разрушение описанного типа может происходить как следствие процессов, приводящих к ослаблению или устранению хрупкости в областях между зернами.

ПРИНЦИПЫ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

Под механикой разрушения понимается установление количественных связей между свойствами материала, уровнем действующих напряжений, присутствием трещины в образце и механизмом распространения трещины.

Концентрация напряжений
Измеряемые значения предела прочности, по достижении которого материал разрушается, оказываются существенно меньшими, чем результаты теоретических расчетов, основанных на оценке энергии межатомных связей. Это расхождение объясняют присутствием очень маленьких, микроскопических лагун или трещин, которые всегда существуют при обычных условиях на поверхности или внутри объема материала. Существование этих пустот приводит к падению прочности, потому что приложенное напряжение усиливается или концентрируется на вершинах таких трещин, причем степень концентрации напряжений зависит от ориентации трещины и ее геометрической формы.

Если принять, что трещина имеет форму эллипса, образующего пустоту на плоскости, и что эта трещина ориентирована перпендикулярно направлению действия растягивающей нагрузки, то максимальное напряжение σm, которое возникает при вершине трещины, может быть вычислено по формуле:
σm = 2σ0 (а/ρt)1/2 (1)
где σ0 — номинальное растягивающее напряжение, ρt — радиус кривизны при вершине трещины, а а — это длина поверхности трещины или половина длины трещины.
Для относительно длинных трещин, у которых радиус кривизны мал, фактор (а/ρt)1/2 может стать очень большим. Это приводит к тому, что величина σm оказывается много большей σ0.
Иногда отношение σm/σ0 называют коэффициентом концентрации напряжений Кt, так что
Kt = σm/σ0 = 2 (а/ρt)1/2 (2)
Коэффициент концентрации напряжений просто является мерой возрастания напряжений при вершине трещины по сравнению с номинальным значением напряжения.
В качестве комментария следует заметить, что причиной концентрации напряжений могут быть не только микроскопические дефекты, но и макроскопические внутренние разрывы сплошности, т.е. пустоты, а также острые углы и надрезы больших размеров.

Эффект концентрации напряжений более существенен для хрупких, чем для пластичных материалов. Если максимальные напряжения превысят предел текучести в пластичных материалах, то возникнут пластические деформации. Это приведет к более равномерному распределению напряжений в окрестностях концентратора напряжений, что будет способствовать снижению максимального напряжения по сравнению с его ожидаемым теоретическим значением. Такое поведение и перераспределение напряжений вокруг трещин и разрывов сплошности не происходит в хрупком материале, так что максимальное напряжение будет отвечать своему теоретическому значению.

Величину максимального напряжения с, необходимую для распространения трещины в хрупком материале, можно рассчитать на основе принципов механики разрушения. Это напряжение выражается формулой:
σc = (2Eγs/πa)1/2 (3)
где Е — модуль упругости, γs — удельная поверхностная энергия, а — половина длины внутренней трещины.

Вязкость разрушения
Использование принципов механики разрушения позволяет получить следующее выражение, которое определяет зависимость некоего характерного параметра Кc от критического напряжения, при котором может происходить разрастание трещины с, и длины трещины а:
Кс = Yσc√πa (4)
Параметр Кс, определяемый этим выражением, называется вязкостью разрушения. Он представляет собой меру сопротивления материала хрупкому разрушению после образования трещины.

Не имеет особого значения то, что этот параметр выражается в довольно необычных единицах — МПа√м или psi√дюйм (или же ksi√дюйм). Коэффициент Y — это безразмерный фактор, который зависит как от размеров трещины и образца, так и от их геометрической формы, а также от способа приложения нагрузки.
Если говорить о величине коэффициента Y, то для плоского образца, в котором имеется трещина, много более короткая по сравнению с шириной образца, то величина этого коэффициента оказывается близкой к единице. Так, например, если в пластине неограниченной ширины имеется узкая трещина, то Y =1,а если в полубесконечной пластине имеется с края образца трещина длиной а, то Y = 1,1.

Значения Кс для относительно тонких образцов зависят от толщины образца. Однако если толщина образца много больше, чем размер трещины, значения Кс становятся независящими от толщины. В этом случае говорят о плоскостных деформациях.
Под плоскостными деформациями имеется в виду ситуация, когда нагрузка действует на образец так, что отсутствуют компоненты деформации в направлении, перпендикулярном фронтальной и задней граням образца.
Величина Кс для таких толстых образцов называется вязкостью разрушения при плоскостных деформациях и обозначается как KIc. Эта величина рассчитывается по формуле:
KIc = Ya√πa (5)
Именно значения KIc приводятся как характеристика материала для многих случаев.
В материалах, разрушающихся хрупко, пластические деформации впереди растущей трещины развиваться не могут. Поэтому для них характерны низкие значения KIc и разрушение происходит в катастрофическом режиме. Для пластичных материалов значения KIc довольно высокие.
Оценка значений KIc особенно полезна для промежуточных ситуаций, что позволяет избежать опасности хрупкого разрушения.

Величина вязкости разрушения при плоскостных деформациях относится к числу фундаментальных свойств материала. Она зависит от многих факторов, например, температуры, скорости деформации, микроструктуры материала. Величина KIc уменьшается при увеличении скорости деформации и понижении температуры. Далее, увеличение предела текучести, достигаемое путем образования твердого раствора или при деформационном упрочнении, в общем случае, приводит к соответствующему снижению KIc. Как правило, KIc возрастает с измельчением зерен, если состав композиции и другие микроструктурные параметры при этом сохраняются неизменными.

Проектирование, основанное на принципах механики разрушения
В соответствии с уравнениями (4) и (5) для того, чтобы оценить возможность разрушения тех или иных элементов конструкции, необходимо учесть влияние трех факторов, а именно: вязкости разрушения (Кс), или вязкости разрушения при плоскостных деформациях (KIc), приложенное напряжение σ и размер трещины а. При этом, конечно, предполагается, что коэффициент Y известен.
При проектировании того или иного изделия следует, прежде всего, оценить, какой из этих факторов ограничен условиями применения, а какие следует определить при проектировании.

Так, например, выбор материала (т.е. значения Кс и KIc) часто определяются такими требованиями как плотность (где по условиям применения имеются ограничения на вес изделия) и коррозионные характеристики материала в среде, в которой будет применяться изделие. Допустимый размер трещины может ограничиваться, в частности, возможностями измерительной техники. При этом важно понять, что как только ограничения налагаются на два из упомянутых параметра, третий становится строго фиксированным (по уравнениям (4) и (5)).

Например, примем, что значения KIc и а определены условиями применения. Тогда расчетное допустимое (или критическое) напряжение σс находится по формуле:
σc = KIc/Y√πa (6)
Если же задан уровень напряжений и известна вязкость разрушения при плоскостных деформациях, то максимально допустимый размер трещины находится как
ac = 1/π(KIc/ σY)2 (7)

Для обнаружения и измерений как внутренних, так и поверхностных трещин был предложен ряд методов неразрушающего контроля (МНК). Эти методы используют для исследования деталей конструкций с целью определения возникновения дефектов или трещин, которые могли бы привести к преждевременному разрушению изделия. Кроме того, МНК используют как контроль качества в производственном процессе.

Эти методы измерений не должны повредить материал (или конструкцию), которая подвергается испытаниям, некоторые из них могут использоваться только в условиях испытательной лаборатории, другие могут также быть приспособлены для работы в полевых условиях.

РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Предел прочности полимерных материалов невелик по сравнению с прочностью металлов и керамик. Как правило, термореактивные полимеры (в которых имеется густая сетка поперечных связей) разрушаются хрупко. Проще говоря, процесс разрушения происходит таким образом, что трещина образуется в области, в которой имеет место концентрация напряжений (т.е. царапины, надрезы и полости). Как и в случае металлов, напряжения возрастают в вершине трещины, что приводит к ее распространению и, в конечном счете, к разрушению. При этом в момент разрушения образца ковалентные связи в сетке или в структуре поперечных сшивок разрываются.

Разрушение термопластичных полимеров возможно как по пластичному, так и по хрупкому механизму, причем для многих полимеров может наблюдаться переход от пластичного к хрупкому разрушению. Хрупкому разрушению способствуют такие факторы как понижение температуры и увеличение скорости деформации, а также наличие острых надрезов, увеличение толщины образца и любая модификация химической структуры полимера, которая приводит к увеличению температуры стеклования (Tg). Стеклообразные полимеры разрушаются хрупко при температуре ниже температуры стеклования. Однако при повышении температуры в области перехода через температуру стеклования они становятся пластичными, и до момента разрушения деформируются с развитием пластических деформаций.

Еще одним эффектом, часто наблюдаемым до момента разрушения термопластичных полимеров, является крейзинг. Он возникает в областях с локализованным развитием пластических деформаций, которые приводят к образованию множества соединяющихся между собой микропор. Между микропорами образуются фибриллярные мостики, а макромолекулярные цепи переориентируются.
Если действующие напряжения достаточно велики, то мостики растягиваются и разрушаются, что приводит к росту и слиянию микропор. Как следствие этого, начинает образовываться трещина.

Крейз отличается от трещины тем, что он может нести нагрузку, действующую в поперечном направлении. Кроме того, процесс роста крейзов до образования трещины связан с поглощением энергии, что существенно увеличивает вязкость разрушения материала. В стеклообразных материалах развитие трещины лишь в малой степени сопровождается образованием микротрещин, что и является причиной низких значений вязкости разрушения. Крейзы образуются в областях, в которых действуют высокие напряжения из‐за наличия царапин или микропустот, а также гетерогенности молекулярных структур. Кроме того, они растут перпендикулярно направлению действия растягивающих напряжений. Типичный масштаб размеров крейзов — 5 мкм или даже меньше.

Общие принципы механики разрушения применимы также к хрупкому и квазихрупкому разрушению полимеров, а сопротивление этих материалов к разрушению при образовании трещин может быть выражено величиной вязкости разрушения при плоскостной деформации. Значения KIc зависят от характеристик полимера — его молекулярного веса, степени кристалличности, а также от температуры, скорости деформации и природы окружающей среды.

Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник

Редакция оплачивает на договорной основе
технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
и другую отраслевую информацию и права не ее размещение

Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

Читайте также: