Партон В.З. - Механика разрушения. От теории к практике (1015817), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Но главная причина расхождений теории с практикой состопт все же пе в этом. Начественпое объяспенпе несоответствиям между идеалязпровашюй моделью разрушения п эксперимептамя можно дать. если предположить (и это подтверждается экспериментально!), что разрушепие происходит яе в самон вершние трещины, а в пекоторой зопе впереди вершины в результате сложного процесса возникновения микротрещин, их объединения н взакмодействия. Существование этой зоны удалось продемопстрировать з экспериментах по разрушепию чисто хрупкого оргстекла (обратите внимапие на то, что материал'двлялся хруп- $66 иим — следовательно, при объяснении расхождений теории и эксперимента ссылки па пластическое течение в вершине трещины безосновательны!).
В пользу гипотезы о наличии зоны микроразрушепий свидетельствуют шероховатость поверхности разрушения (почему это так, станет ясно чуть позже) и высокоскоростное фотографирование в режиме реального времени (т. е. непосредствеппо в течепие процесса разрушения) волн напряжений, расходящихся от микродефектов. Эти волны (см. рис. 66) генерируются только при высоком уровне папрялсепий в вершине трещины, когда энергия, высвобождающаяся при образовапии впереди вершины трещипы микродефекта, становится достаточной для генерации макроскопически паблюдаемых деформаций. На разрушеппой поверхности (рис.
101) после прохождеппя трещины с высокой скоростью можно выделить $,"Ияи»аяэМЯ-..' '. Жря1лйни: ...- '..::::фйатгнллл:-;:,%юз; Ряс. !Об Зеркальная, матовая в перьевая зоны па разрушенной яо- зерхяостя трп зоны: зеряияьяую, миговую (затумапепную) и перьевую (искромсанную). После прохождепия перьевой зоны трещина разветвляется на несколько ветвей. Зеркальная зона характеркзуется совершенно гладкой, полностью отражазощей свет поверхпостыо.
В матовой зоне поверхность грубеет и становится совсем шероховатой в последней зоне — перьевой. Важно отметить устаповленную при обработке экспериментальных данных связь между качеством поверхности и величиной приложенной разрывающей ударной нагрузки. Оказалось, что при увеличении этой нагрузки размер зеркальной зоны уменьшался, а размеры матовой и перьевой зоп увеличизалпсь. При уменыпеппи же уровня нагрузки, наоборот, размер зеркальной зоны увеличивался, а размеры матовой и перьевой зон уменьшались. Этот качественный вывод поцтверждается графпкамп на рпс.
102. Видно, что при удалеппп от точки, где находилась вершина трещины в перс 167 воначальный момент, глубина шероховатости увеличивается (рис. 102, а), соответственно увеличивается и коэффициент интенсивности напряжений (рпс. 102, б), Итак, мы видим, что чем большая энергия высвобождается в вершине трещины, тем сильнее шероховатость 4Ы ъ" 2Р Рис. 102, Шероховатость поверхности разрушения в вависнмости от расстояния х до вершины трещины (а) и КИН (б): Д вЂ” глубина шероховатое~и, д „вЂ” лтаксимальпая глуоина, К, — КНН в момент старта поверхности.
Что же из этого следует~ А вот что: чем выше нагрузка, тем сильнее поведение трещины будет отличаться от того, которое предписывается идеализированной моделью. В самом деле, ведь в этой модели при подсчете энергии раарушения плотность этой энергии умножается на площадь разрушенной поверхности, равную произведению длины трещины на толщину образца. На самом же деле площадь разрушенной поверхности с учетом шероховатости значительно больше. Механизм образования шероховатой поверхности проясняется при микроскопическом исследовании разрушенной поверхности (рис. 103, увеличение в 7000 раз) .
В зеркальной зоне трещина на своем пути пересекает множество полостей размера 10 — 25 микрон. Взаимодействие трещины с этими полостями приводит к старту многочисленных микроповерхнострых трещин, которые тем не менее не меняют направления распространения магистральной трещины.
Можно утверятдать, что в зеркальной зоне микротрещины, стартующие из микрополостей, не взаимодействуют между собой (рис. 103, а). В матовой зоне за счет повышения КИН вознишпне напряжения становятся достаточнымп для актпвпзацпи 1бб Рис. 103. Ыпкрофотографик зсркальпой (а), матовой (а) и перье- вой аои (а) изолированных полостей и их взаимодействия между собой (рис.
103, б). При этом возникает множество параболических фигур, что характерно для пересечения полостей и трещины, распространяющихся с одинаковой скоростью. Эти параболы разнятся по размеру и глубине, что указьгвзет на трехмерпыя характер их распределения. Таким образом, в матовой зоне еще до прихода магистральной трещины образуется ансамбль ориентированных в различных плоскостях микроразрушепий, стремящихся измепить паправлепие ее распространения. Наконец, в перьевой зоне (рпс. 103, в) этот процесс становится еще нптепсивнее и охватывает все большую зону впереди вершины трещипы. Появляются «ручейки», растущие в перяепдикулярном трещине паправлеяии.
Подводя итог этим наблюдениям, можно заключптгч что первоначально в зеркальной зоне распространяется единичная трещина и ее поведепие незначительно отличается от квазистатического подрастания. В матовой зоне уже имеет место одновременное равномерное распространение ансамбля трещин. В перьевой зоне распространение трещины происходит в рамках того же физического процесса, по размер зоны мпкроразрушеппй увеличивается. Таким образом, можно утверждать, что распространение трещипы при высоком уровне напряжений управляется развитием микрополостей н микротрещин, их объедпнеппем п затем взаимодействием. Находясь на этих позициях, удается дать приемлемое гтзчоствеппое описание ветвления трещин как непрерывного процесса эвол1оцнп опере "кающих микротрещин. Действительно, рассмотрим микрофотографии разветвленньтх трещин (рис.
104). Видно, что процесс ветвления является продолгкенпем пптепснвпого роста и взаимодействия ьшкродефектогч проггсходягцего в перьевой зоне. До наступлеппя окончательного ветвления происходят многочисленные попытки ветвления — мпкротрещипы гладко отклоняются от направления распространения маптстральной трещины, а затем останавливаются. Между этпхш микроветвями п магистральной трещиной начинается сложпое волновое взаимодействие, которое в налог)- то момент времени првводпт к возпикповепию таких напряжений, при г:оторых трещина окончательно разветвляогся. Этот процесс, вне всяких сомнений, является статистическим и трехмерным, однако он имеет и детермипнроваппые черты: вазброс координаты точки окоп- чательного ветвлепля в серпа пз пяти экспериментов при 170 одинаковой величине нагрузки составил всего 1 мм (рис. т05).
Важно подчеркнуть эволюционный характер ветвления, он заключается не просто в превращении одного математического разреза в два разреза, как это моделируетсн в задачах динамической теории упругости., Рпс, 105. Характер ветвлюшя в пяти одинаковых экспериментах но в постепенном качественном изменении фронта разрушения по механизму, показанному па рис.
106. Читатель теперь вполне может себе представить, какие серьезнейшие математические трудности существуют в описании процесса ветвлептехапазм бетбпепип ния. Кще одно подтвержРоот попооптей депне описанного мик- =Ф = =: роструктурного мехапнзма распространения Юзаамо— йзоотбо РазРУшепиЯ Дает анатпза1ап лиз экспериментов по старту трещины.
Критерий начала разрушения, согласно идеализирост трещины следует немедленно после достижения КИН крити- 1'ис. 106. 51ехаиязи ветвления ческого значения. Из полученной экспериментально зависимости между мгповенпымн КИН прн старте и временем от момента приложения нагрузки до начала разрушения (рис. 107) следует,. что такой простой критерий пригоден только при относительно низких скоростях натруженна. При времени на- 172 кружения большем, чем 40 — 60 мкс, разрушение происходит при постоянном КИН, который совпадает с найденным из статических экспериментов, тогда как при более коротком времени требуемый КИН резко возрастает.
Качественное объясление этого явления возможно с привлечением концепции опережатощих микротрещин и заключается в том, что существует определенная скорость аарон»делит» и роста микроде »рЕКтен. ЕСЛИ Опа ПРЕВЫШаст 77, »1па м скорость нагружепия, то получаются квазистатические результаты. В противополонгном случае оказывается, что микро.процессы не успевают развиться в достаточной степени, и это 45 приходится компенсировать величиной нагрузки. Была такл1е проведена серия экспернмелтов, в которых г,мкс систематически изменялась ско- 777о 200 рость нагруженпя и, соответ- трпс.
107. Зависимость КИН ственно, скорость трещины. Хо- от,арта от вр. ояя до раарутя зависимость КИН от време- шоння ни была очень сложной, скорость трещины почти всегда была постоннной, а ее максимум имел порядок 0,4бсв. Изменение скорости происходило только вследствие прихода в вершину отраженной от границы образца волны, после чего ола вновь становилась постоянной. Такое поведение трещины также вполне укладывается в микроструктурную модель ее роста: впереди вершины создатотсн микроразрушепия, и можно предположить, что размеры этой зоны процесса, равло как и размеры и ориентация микротрещил, определяются условиями прн старте. Структура зоны сохраняется до тех пор, пока новая волла напря7кел1тй не измелит ее размер илп ориентацию.
Однако если скорость трещины выше некоторой величины (='300 м/с), то приход волн в вершину не меняет ее скорости. Следовательно, зона процесса обладает определенной «инерцией», т. е. трещина »сопротивляется» изменению скорости. Укажем еще, почему скорость трещины не достигает в хрупких материалах теоретического предела, равного скорости волн Рэлея. Дело в том, что ее скорость ограничивается скоростью распространеяия микроразрушелий. Действительно, при разрушении кристаллических 173 тел по типу чистого откола, а также в случае «залеченных» трещин, когда микроразрушения не образуются, скорость разрушения достигает 0,8 — 0,9сз.
Подведем итоги. Мы познакомились с основнымн положениями идеализированной модели динамической механики разрушения, проанализировали ее основные противоречия, вскрыли их причины. На этом паша акскурсия в динамическую механику разрушения заканчивается. Хочется надеятьсн, что нашлись читателп, которым она все же показалась увлекательной.
5 27. Температурные задачи механики разрушения Большинство лекторов, по моим наблюдениям, начиная рассказ о хрупких разрушениях в условиях неравномерного нагрева, приводят пример стакана, лопнувшего после того, как в пего был налит горячш| чай. Тела при нагревания, как всем известно, расширяются, и з стакане внутренние нагретые с:шп давят пз еще холодные внешние, появляются растягпзающие напряжении, которые могут стать критическими для небольшой царапины па внешней поверхпоспт стакана. Подобные разрушения мо~ут встретиться и в серьезной ппжеперпой практике, как, например, в уже описанной нами аварии остывшего на сильном морозе резервуара, в который по небрежностп обслуживающего персонала была налита горячан фосфорная кислота ~рпс. 6).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
