Критерии вязкости разрушения

В последние годы формулы Грифитса были преобразованы:

плосконапряженное состояние: плоскодеформированное состояние:

К_c, К_1c – коэффициенты интенсивности напряжений у вершины трещины;

γ_s=G_с, G_1с – характеризуют энергию на единицу длины трещины. Это есть энергетическая характеристика трещиностойкости.

Это направление называется линейная механика разрушения (т.к.. закон линейный), а величины К_c², К_1c², G_с, G_1с – новые критические характеристики механики разрушения.

П_с – коэффициент пропорциональности между напряжениями ² и _с².

Эти характеристики (К_c и К_1c) нельзя вычислить из теоретического курса, они должны быть определены экспериментально на образцах с предварительным наведением трещины.

Величина коэффициента П_с зависит от размера зоны ПД перед трещинами при соответствующем напряженном состоянии. Оказалось, что размер зоны у толстой пластины ниже следовой и трещиностойкость у нее ниже, чем у тонкого листа. Этот факт полностью обусловлен в различиях напряженных состояний. Критерии К_c, К_1c, G_с, G_1с являются энергетическими критериями, а следовательно интегрально учитывают прочностные пластические характеристики материала. В отличие от общепринятых механических характеристик пластичности и прочности, учитывающих усредненные свойства образцов при нагружении, новые критерии оценивают локальные свойства у вершины трещины и привязаны к определенному виду напряженного состояния. С этих позиций они являются фундаментальными характеристиками сопротивления металлов разрушению. Во всех промышленных странах мира разработаны методы и ГОСТы с целью введения стандартов.

Т.К. у вершины трещины может оказаться любая структура, эта теория превратилась в структурную механику разрушения.

Экспериментально установлена зависимость величины К_с от толщины образца:

1 – зона плоского напряженного

состояния. Обеспечивается

напряжением среза;

2 – смешанное напряженное со-

стояние (срез и отрыв);

3 – плоская деформация (разру-

шение отрывом)

Т.о., теория Грифитса связывает критическое напряжение с критической длиной трещины.

Для стали с определенным химическим составом:

Установлено, что разрушение – это сложный процесс, он состоит из двух стадий: зарождение трещины и её распространение.

Критерий зарождения трещины (комплексный):

Критерий распространения и роста трещины:

К_1с определяет условие распространения трещины.

Р_хр. – критерий хрупкости:

С учётом масштаба детали:

i_м – комплекс масштаба

е_хр. – характеристика, учитывающая упругий модуль материала.

Разрушение как процесс.

Повышение интереса к физике разрушения стимулируется следующими обстоятельствами:

1. увеличением уровня рабочих напряжений;

2. расширением интервалов условий работы материала (температура, давление, скорость);

3. необходимостью безопасности жизнедеятельности.

Поэтому вопрос о разрушении твёрдых тел связан с важнейшими проблемами современного материаловедения: проблемой прочности и надёжности материала.

Указанная проблема является многоплановой, от её частных решений зависит технический прогресс. Увеличение рабочих напряжений требует уменьшения размера опасных трещин. Поэтому, поведение дефектов (трещин), а значит их обнаружение, являются важной технической задачей. В целом процесс разрушения сложный, т.к. он является вероятностным процессом; это процесс многостадийный и многомасштабный.

Статистический (вероятностный) характер разрушения означает, что физически разрушение – это кинетический (временной) процесс, связанный с преодолением системой потенциальных барьеров. В этом процессе участвуют как тепловые колебания, так и неравномерности тепловых колебаний (флуктуации). Статистический разброс в ходе процесса разрушения связан не только с разбросом структурных характеристик, но и со статистическими закономерностями тепловых флуктуаций. Поэтому существует вероятностный критерий, в соответствии с которым разрыв межатомной связи происходит при нагрузке меньше критической за счет воздействия тепловой флуктуации.

Сила  (или напряжение ) понижают энергетический барьер, необходимый для разрыва связи, и обеспечивают энергетическую выгодность разорванного состояния. Вследствие этого, процесс разрушения является кинетическим процессом накопления разорванных связей во времени (кинетический критерий). При уменьшении нагрузки, температуры, высоты барьера время до разрушения возрастает. При t→0 кинетические условия переходят в механические.

Особенно большую роль тепловые флуктуации играют при разрушении в сложных случаях, когда разрушению предшествует большая деформация: вследствие большого числа степеней свободы перемещение дефектов (дислокаций) может привести к энергетической выгодности разрыва межатомных связей. Поэтому, появляется деформационный критерий разрушения, согласно которому носителем разрушения является дефект. Считается, что деформация и разрушение идут одновременно, т.к. носителем является движение дефектов (дислокаций).

Многостадийность – чередование последовательных стадий (от макроуровня до микроуровня), каждый из которых имеет свой ведущий механизм, свою скорость, энергию активации и статистические закономерности изучения дислокационных механизмов зарождения, накопления и роста трещин разного масштаба (атомных трещин, микротрещин, магистральных трещин).

Многомасштабность – важность явлений, одновременно происходящих на разных масштабных уровнях.

Для выяснения кинетики разрушения их нужно рассматривать совместно.

Для изучения разрушения с этих позиций предложен ряд теорий:

гипотеза образования трещин Финкеля; по этой гипотезе момент образования новой поверхности берегов трещины сопровождается возникновением поверхностного натяжения из-за существенного изменения сил, действующих на обнажившийся слой атомов. Это явление может характеризоваться неодинаковой у разных металлов ориентировкой нормальных и касательных напряжений к поверхности трещины. Особая роль придается нормальной составляющей которая может быть направлена от поверхности внутрь тела (тело сжато), наружу (тело растянуто), равна нулю.

Расчёты этих сил неизвестны, но ясно, что знак их определяется отношением межатомных сил притяжения и отталкивания, о чём судят по параметру решетки: а₀ = (2 – 5) А.

Металл с параметром решётки а₀ = 3,3 А – хладноломкий металл (ОЦК решётка), хрупкий при снижении температуры. Т.о., по этой гипотезе сложно влияние нормальной составляющей. Тип кристаллической решётки на хрупкость металлов влияния не оказывает. Понятие критического размера трещины теряет смысл.

Структурная механика разрушения вышла из теории Грифитса. Набор новых механических характеристик (критериев вязкости и разрушения) каким-то образом связаны со структурой.

Структурная механика разрушения изучает закономерности распространения трещин в конструкционных материалах с учётом их структуры, а также разрабатывает методы их металлургической и структурной оптимизацией. В этой гипотезе изучаются:

1. трещиностойкость от различных структурных факторов: величины зерна, примесей, легирующих элементов, карбидной фазы;

2. процесс разрушения при заданных условиях испытаний или эксплуатации путём изучения структуры излома (фрактография);

3. разрабатываются модели разрушения с учётом реального распределения напряжений в конкретных изделиях с учётом структурных составляющих.

Основным методом является микрофрактография изломов. Она позволяет выделить стадию зарождения макротрещины и её распространение. Стадия зарождения трещины с физической точки зрения наиболее сложная. Стадия распространения трещины может состоять из 2-х этапов: субкритического роста и спонтанного роста трещины.

Структурная механика разрушения изучает распространение готовых трещин в условиях активного однократного нагружения и циклического многократного нагружения. В обоих случаях картина сложная.

Различают 4 вида излома: транскристаллитный скол, интеркристаллитный скол, квазискол, микровязкое разрушение. Положение их можно нанести на одну диаграмму:

Обобщённая диаграмма прочности конструкционных сталей

1 – метастабильные аустенитные стали;

2 – низкоуглеродистые стали;

3 – среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали;

4 – мартенситностареющие стали;

5 – стали со сверхмелким зерном;

6 – стали после термодеформационной обработки;

7 – эвтектоидная сталь со структурой ПП.