- •Тема. Краевые задачи и реологические модели сред при омд.
- •Решение должно существовать.
- •Решение должно определяться однозначно (единственность решения).
- •Модели идеальных пластических сред в теории омд (наиболее распространенные)
- •1. Изменение свойств металла при холодной обработке давлением
- •Упрочнение при холодной обработке металлов давлением
- •Кривые упрочнения
- •Феноменологическая теория хрупкого разрушения
- •Дислокационные модели процесса разрушения
- •Разрушение.
- •II. Трещины
- •III. Накопление повреждений
II. Трещины
О МЕХАНИКЕ ТРЕЩИН. Как известно из сопротивления материалов, в зависимости от механических свойств металлов и условий их обработки давлением разрушению тела могут предшествовать значительные пластические деформации (вязкое, или пластическое разрушение) или же разрушение может быть малодеформационным — хрупким. Важную роль в механизме разрушения играют различные дефекты структуры — микропоры, микротрещины, резко снижающие уровень прочности материала.
Критерий начала распространения трещины, составляющей основу механики трещин, не следует непосредственно из уравнений равновесия и движения сплошной среды, а представляет собой дополнительное краевое условие при решении вопроса о предельном равновесии тела с трещиной. В рассмотренной выше задаче Гриффитc предполагал, что величина П есть поверхностная энергия твердого тела, имеющая ту же физическую природу, что и для жидкости. Однако исследования Орована и Ирвина показали, что затраты энергии на создание новых поверхностей при развитии трещины связаны главным образом с работой пластической деформации объемов материала, расположенных перед фронтом трещины. Для большинства реальных материалов в малой области конца разреза из-за больших напряжений возникает область пластического течения, в которой распределение напряжений и смещений отлично от упругого. В современной теории трещин этому вопросу уделяется большое внимание.
III. Накопление повреждений
«СПЛОШНОСТЬ» И «ПОВРЕЖДЕННОСТЬ». Несмотря на большие успехи, достигнутые механикой трещин, практическое применение ее результатов существенно затрудняется случайным характером распределения микродефектов в реальных материалах, влиянием пластических зон в концевой зоне трещины. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о большом разбросе при испытаниях «одинаковых» образцов. Это оправдывает применение упрощенного, феноменологического подхода к проблеме разрушения. Примером такого подхода может служить теория накопления повреждений. В этой теории рассматриваются процессы разрушения различной природы. К ним относятся, в частности, внезапные квазихрупкие разрушения элементов конструкций, испытывающих ползучесть, при сравнительно малых деформациях (порядка 1% и менее) после длительного периода нормальной работы. Теория накопления повреждений используется также при описании усталостных разрушений, вызванных действием переменных нагрузок, разрушений, возникающих при развитой пластической деформации в процессах обработки металлов давлением.
Для
описания развития разрушения во времени
в механике разрушения предлагается
использовать некоторую скалярную
функцию ψ,
изменяющуюся
в пределах от нуля до единицы — так
называемую сплошность
тела.
В начальном состоянии, при отсутствии
поврежденности
ψ
=1;
с течением времени функция ψ
убывает. При ψ
=
0
происходит разрушение. Ю. Н. Работнов
ввел функцию
=
1 - ψ
поврежденность, равную
нулю в начальном состоянии и единице
в момент разрушения Эту функцию также
использовал В. Л. Колмогоров, назвав
ее степенью использования ресурса
пластичности при анализе условий
разрушения в процессах обработки
металлов давлением.
В
теории накопления повреждений для
функций ψ
или
из физических соображений составляется
кинетическое
уравнение вида
(1)
связывающее
скорость изменения сплошности или
поврежденности с основными параметрами
процесса. Решение этого уравнения
позволяет найти область, в которой
ψ
= 0
(
= 1),
и тем самым описать распространение
по телу фронта разрушения.
Более общим является подход А. А. Ильюшина, который предложил описывать процесс накопления повреждений с помощью тензора повреждений — в простейшем случае симметричного тензора второй валентности, компоненты которого определяются кинетическими уравнениями типа (1) и связаны с процессом нагружения (деформации) материальной частицы.
ПРИНЦИП ЛИНЕЙНОГО СУММИРОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ. Откажемся теперь от условия постоянства напряжения σ = const, принятого в рассмотренной выше задаче, и исследуем разрушение стержня в условиях переменного во времени растягивающего напряжения σ(r). Пусть нагрузка изменяется ступенчато.
В
течение промежутка времени
действует
постоянное напряжение σк,
при
этом из формулы (1) следует, что
(2)
(1.17)
где
-1
—
время разрушения при постоянном
напряжении σk.
Преобразуем
функцию
следующим
образом:
.
Легко
видеть, что в начальный момент
=
= 0,
в момент разрушения
* =
= 1, т. е. функция
* также
характеризует уровень поврежденности.
Уравнение (2) запишется в виде
(3) (1.18)
Суммируя соотношения (2) по k, получаем условие разрушения в виде
Устремляя
интервалы
к
нулю, а число их — к бесконечности,
запишем условие разрушения в виде
интеграла
Бейли:
(4)
(1.19)
Эта
формула, полученная для степенной
зависимости (1.15), следует непосредственно
из принципа линейного суммирования
напряжений.
Согласно
последнему, для произвольного t
приращение
поврежденности
определяется выражением (1.18), т. е. равно
отношению приращения времени
к
времени разрушения tp
(σk)
при
растяжении стержня постоянным
напряжением, равным
σk.
Запишем
эту формулу в дифференциальном виде:
(5)
и просуммируем по времени при переменном напряжении σ (t). В результате получаем
.
(6)
Условие
разрушения (
= 1) приводит к уравнению (4).
РАЗРУШЕНИЕ
МЕТАЛЛА ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ.
Очевидно, феноменологический подход,
использующий понятие накопления
повреждений, может быть принят и при
анализе разрушения в процессах
обработки металлов давлением. В этом
случае скалярная функция
характеризует поврежденность
материального
элемента объема dW,
достаточно
малого, чтобы в его пределах напряженное
и деформированное состояния, равно как
и температурное поле, можно было считать
однородным.
Рассмотрим
движение элемента dW
вдоль
некоторой траектории как функцию
переменной
.
Роль такой переменной может играть
время t
или
накопленная при движении степень
деформации сдвига
.
Пусть
состояние элемента характеризуется
конечным числом параметров
.
В
качестве последних можно взять
температуру, инварианты тензора
напряжений или некоторые функции от
них. Наиболее часто используются
параметры
—
коэффициент
жесткости напряженного
состояния и
—
параметр Лоде, связанный
с углом
вида
напряженного состояния формулой.
Используя принцип линейного суммирования повреждений, запишем кинетическое уравнение для поврежденности в виде

Здесь
значение
параметра
,
соответствующее разрушению элемента
dW
при
постоянных значениях ![]()
Интегрируя,
получаем
(7)
причем условие разрушения имеет вид
(8)
ДИАГРАММА
ПЛАСТИЧНОСТИ.
Опыты, проведенные рядом ученых по
растяжению, сжатию и кручению цилиндрических
образцов, в том числе в условиях
всестороннего сжатия гидростатическим
давлением, свидетельствуют о том, что
при заданной температуре и скорости
деформации в условиях монотонной
деформации имеется близкая к
однозначной зависимость между
пластичностью металла, характеризуемой
предельной степенью деформации сдвига
р,
соответствующей моменту разрушения, и
коэффициентом жесткости напряженного
состояния k
=
0/Т.
Эту зависимость можно представить в
виде диаграммы
пластичности (рис.
1, а,
б, в).
Из
анализа диаграммы следует, что
пластичность наиболее высока в
условиях всестороннего гидростатического
сжатия и резко падает с ростом коэффициента
k.

Рис.1.Диаграммы пластичности:
а - сталь 20; б,в – титановые сплавы ВТ14 и ВТ1
УСЛОВИЕ
РАЗРУШЕНИЯ В. Л. КОЛМОГОРОВА.
Впервые теорию накопления повреждений
при анализе разрушения металлов в
условиях немонотонной деформации
применил В. Л. Колмогоров. Приняв в
качестве параметра
.
степень деформации сдвига
и ограничившись одним параметром
,
В. Л. Колмогоров записал кинетическое
уравнение для поврежденности в виде
![]()
Поскольку
,
где
Н — интенсивность скоростей деформации
сдвига, получаем
(9)
Условие разрушения запишется в виде
(10)
ВЕРОЯТНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ. Металлические материалы, при первоначальном рассмотрении представляющиеся однородными, всегда содержат случайно распределенные дефекты различного происхождения и самых различных размеров. Это приводит к неизбежному разбросу в экспериментальных данных как при построении диаграммы пластичности, так и при исследовании разрушения металла в процессах обработки металлов давлением. Отсюда вытекает необходимость построения вероятностной модели разрушения. Следует отметить, что эта проблема связана с большими трудностями и до сих пор далека от решения. Остановимся в связи с этим лишь на основных понятиях вероятностного подхода.
Рассмотрим
испытания на пластичность, проводимые
при фиксированной температуре
,
скорости
деформации Н,
показателе напряженного состояния k.
Пусть
в данном эксперименте образец разрушился
при степени деформации сдвига
.
В
общем случае
—
случайная величина с законом
распределения
,
где P—
вероятность. Таким образом, функция Q
(
)
есть вероятность разрушения образца
до деформации
.
Будем предполагать, что функция Q
(
)
непрерывна и существует непрерывная
плотность вероятности разрушения q
(
)
= Q'
(
).
Наряду
с функцией Q
(
)
будем употреблять и другую функцию R
(
)
= 1 — Q
(
)
= P{
}
—
функцию
надежности.
Рассмотрим
некоторые числовые величины, характеризующие
функции Q
и
R.
Важнейшей
из них является математическое
ожидание пластичности M
,
совпадающее
с пластичностью металла
при
детерминированном подходе к проблеме
разрушения.
При вероятностном подходе

Другой важной характеристикой распределения вероятности разрушения является дисперсия пластичности:

![]()
