Уравнение (2.1.35) неоднократно проверялось на большом числе разнообразных материалов (стекла, металлы, полимеры, галоидные соединения и др.) при изменении s и Т в широких пределах. С точки зрения этой теории разрушение любых твердых тел должно происходить при любых напряжениях, различие только во времени, в течение которого напряжения действуют. Обострению зависимости способствует температура, при достаточно низких температурах экспоненциальная зависимость не выполняется. Для тугоплавких металлов, керамики и стекол комнатная температура уже является достаточно низкой, поэтому для них однозначной характеристикой является предел прочности и накоплением дефектов можно пренебречь в отсутствие значительных внешних напряжений.
Во всех других условиях, и особенно с повышением температуры, о прочности нельзя говорить без указания времени, в течение которого материал будет находиться под нагрузкой. Это особенно важно для композиционных материалов, где накопление разрывов отдельных волокон - обычное явление. Так, лопатки турбин, работающие при высоких температурах пара и газа, рассчитывают с обязательным учетом временнóй прочности; изделия из органического стекла через год службы могут нести нагрузку, не превышающую 30% от их мгновенной прочности, капрон и пластмассы ведут себя аналогично уже при комнатной температуре.
Реальные изделия и конструкции из потенциально хрупких тел - керамики, бетона, композитов - как правило, всегда содержат большее
или меньшее количество микро- и макродефектов, распределенных стохастически в объеме или характеризующихся некоторой частичной ориентацией. Характер распределения дефектов определяется как технологическими особенностями производства, так и предысторией эксплуатации, накоплением дефектов. Для гомогенных совершенных материалов динамику их жизни под нагрузкой можно представить в виде цепочки:
· Движение и накопление дефектов на атомном уровне
· вакансий, дислокаций, дислоцированных атомов.
· Образование в различных точках объема микротрещин
докритического размера.
· Объединение микропор и микротрещин до длины l³lк.
· Хрупкое лавинное разрушение
Для гетерогенных и гетерофазных структур первая стадия не играет решающей и даже заметной роли. Эти материалы, являясь неоднородными на микроуровне (а для бетона в большом объеме и куски заполнителя являются микронеоднородностью), в достаточно больших объемах могут быть вполне однородными. Вообще о всех особенностях строения реального материала, типа пористого шамотного кирпича, дать полную информацию невозможно. Более того, если бы и имелась такая информация, то она оказалась бы мало полезной для определения количественных характеристик процессов деформирования, потери прочности и разрушения тел из такого материала.
Для рассмотрения технической прочности реальных тел необходимо перейти от модели континуальной (сплошной), однородной и изотропной среды к среде, содержащей технологические или приобретенные в процессе хранения и эксплуатации дефекты - разрывы сплошности и однородности строения. Влиянием микродефектов (вакансий и атомов внедрения, их скоплений, дислокаций и их сеток и плоских скоплений, границ зерен и блоков, субмикротрещин и микротрещин докритического размера, различных макронеоднородностей типа зерен заполнителя и т.п.) пренебрегать нельзя, но их влияние сказывается на объеме в среднем, как бы "размазывается" по объему. Определяющее влияние на прочность и время жизни конструкции оказывают крупные дефекты - трещины, близкие к критическим размерам.
Разработаны стандарты механических испытаний металлов с трещинами, в результате которых определяется величина КIc - критический коэффициент интенсивности напряжений. Испытания производятся на образцах специальной формы с глубокими тонкими надрезами или создается натуральный концентратор - трещина, сопротивление продвижению которой и определяется. КIc характеризует "хрупкую прочность" материала или вязкость разрушения. Этот критерий позволяет более объективно определить безопасный максимальный размер дефекта в телах, способных пластически деформироваться.
Однако из практики известно, что и при наличии таких критических и даже закритических, по представлениям теории упругости континуальных тел, трещин конструкция зачастую еще долго может эксплуатироваться. Причин тому несколько. Во-первых, в соответствии с теорией Гриффитса, вскрытие полости трещин сопровождается упругой разгрузкой материала пространства, окружающего трещину: в том числе происходит резкое падение напряжений около докритических трещин-концентраторов. Во-вторых, не всякая докритическая трещина может переродиться в магистральную разрушающую, особенно в неоднородной среде. Известно несколько механизмов, приводящих к торможению и даже частичному залечиванию крупных трещин (Финкель В.М., Воронов И.Н. и др.).
1. Рост трещины может идти с ускорением за счет подпитывания упругой энергией разрушаемого пространства, если только это поле однородно растягивающих напряжений. Снижение величины растягивающих напряжений, а особенно изменение их знака на сжимающие даже в локальных участках резко снижает темп разрушения. Если материал хоть в малой степени способен пластически деформироваться, то это замедление сопровождается развитием пластической деформации в окрестности конца трещины. В результате трещина притупляется, снижается концентрация напряжений в ее вершине, разрушение замедляется и может быть вообще остановлено.
2. Барьерами на пути трещины могут служить микро- и макро-
структурные элементы. К первым относятся некоторые типы кристаллических дефектов: дислокации и их системы, межзеренные и межблочные границы, двойниковые прослойки, полосы и пачки полос скольжения, полосы сброса, пластичные частицы второй фазы. Макроскопическими барьерами могут служить границы между слоями в композитных материалах, упрочняющие ребра конструкции. Трещина может эффективно тормозиться системой других трещин. В частности, при пересечении трещиной полости, ортогональной к плоскости движения трещины, за счет компоненты собственного поля напряжений, движущихся впереди трещины, произойдет расслоение материала (рис.2.1.11) и движение растущей трещины блокируется. (Достаточно вспомнить слоистое строение гор, сложенных из сравнительно слабых известняковых пород).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.