Партон В.З. - Механика разрушения. От теории к практике (1015817), страница 4
Текст из файла (страница 4)
11). По Сен-Венану, напряженное состояние з точках стерж- 22 пя, удаленных от захватов па расстояние, большее, чем его диаметр (в заштриховаявых ка рисунке областях), определяется только результирующей растягпвающих сил. В своем рассказе мы отметили лишь несколько важ- ных для вас исторических моментов. Заинтересованного Рис. И. Согласно принципу Сеа-Вевава напршнезное состояние стержня в заштрихованных областях ве аааисит от способа аа- ярсплоиля его хорца читателя следует отослать к кпигам по истории механики. Мы же в кратком иапо>кении хотели подчеркнуть, что пройдя через десятки веков змпирического и интуитивного позпаппя прочпости материалов и конструкций, 2о через два века аксперимептальпого исследования материалов, человечество в Х1Х веке усилиями великих инженеров и ученых создало стройную теорию сплошного бездефектного упругого тела п достаточно совершенные вкспериментальные методы исследования прочпости и сопротивления разрушения.
Е1о вот в нынешнем столетии наука о прочности пережила тяжелый кризис. л 3. Новая наука о прочности и разрушении В ХХ веке катастрофические разрушения продолжались на суше, па море и в воздухе. Взрывались мощные паровые котлы, разрушались громадные военные корабли и пароходы, хотя рассчитаны оки были по всем правилам современной науки о прочности, науки, которая, кавалось, достигла совершенства. Попытки установить истину в натурном эксперименте объяснения пе давали. Так, в 1903 г. британские ученые провели испытание настоящего эскадреипого миноносца па прочность.
Ъ|инокосец зВулфа был заведен в сухой док и поставлеп сначала ка одну подпорку посередине, а аатем на две по краям, как будто бы в шторм ок оказался на гребне одной волны илп двух волн. После этого испытания были продолжены в открытом море во время жесткого шторма. Оказалось, что в течение всего эксперимента приборы пе смогли обнаружить напряжений выше 90 МПа, а прочность корабельной стали составляла тогда примерно 390 — 440 МПа. Такой же запас прочности следовал из расчетов по теории балок, но утешение в этом было слабое, поскольку отмечались случаи, когда ломались пополам пароходы, максимальпое напряжение в корпусах которых не превышало по расчетам одпой трети от предела прочности стали.
Накапливавшийся печальный опыт показал, что опасными местами корпуса корабля являются различные люки, отверстия и вырезы,— именно вокруг пих появлялись трещипы, которые от неравномерной загрузки трюма или от удара волны могли со скоростью пули перерезать судно надвое, и оно тонуло так быстро, что свидетели катастрофы догадывались об этом по скрещенным мачтам, мелькнувшим в последние мгновения пад волнами.
Ипженеры-мостостроптели, в свою очередь, подтверждали, что заклепки всегда разрушаются в местах резкого изменения сечения при переходе от стержня к головке, и рекомендовали применять иаобретеппые в Германии ааклеп- Ж ии с плавным коническим переходом, К подобному же выводу и тоже чисто экспериментально приходили и инженеры-транспортники, хотя предмет нх огорчений— оси железнодорожных вагонов и паровозов — ломались в условиях усталостного разрушения, связанного с тем, что при вращении онп подвергаются циклически повторяющемуся изгибу. Инженеры-кораблестроители пытались учитывать отверстия в расчетах и усиливать края отверстий, исходя ич того, что напряжение есть сила, деленная на площадь сечения, а значит, при уменьшении сечения за счет отверстия напряжения в нем растут обратно пропорционально площади ослабленного сечения.
К пх сожалению, такой подход оказался совершенно недостаточным, а теорпя, отставшая на данном этапе от практики, смогла дать объяснение загадочного коварства отверстий лишь к началу ХХ века. В 1808 г. немецкпй механпн Г. Кпрш, репспэ задачу об однооспом растяясенни прямоугольной пластинни с малым нруговым отверстием (рпс. 12), обпаруяспл резкий пнк напряжений в точках А на краю отверстия. Напрлясения там втрое (! ) превышали напряжения 'а в точках, удаленных от края отверстия, или напряжения в сплошной пластинке, нагруженной теми же силами, Бытовавшие же в то время нн>кенерные методы расчета занижали оценку опасных напряжений почти в трн раза, поскольку малое от- а верстке почти не снижает площадь поперечного Рэс. 12.
Ропсовпо Кэрспа: ва контура малого кругового от- сечения. Глце более удп"сс верстая напряженна в 3 рава тельные результаты бы- превышают вапражоэпя в удаля получены прн решении ловэых точках сложной задачи о растялсепип пластинки с эллпптпческсгм отверстпевс (рнс. 13), которое бьсло получено впервые талантливым русским ученым Г. В. Колосовым в 1000 г. Однако работа Колосова была опубликована в пеболыном астонсном городе 10рьеве (теперь это Тарту), па Западе опа до спх пор малопзвестпа, и там ссыласотся па статью английского ученого К.
Инглиса, хотя опа вышла только в тйсЗ г. в Трудах Королевского института корабельных инженероз. Так что лссе показало решение Колосова-Иссглисау Оказалось, что наиболее опасные пиковые напряжения определяются кривизной отверстия, и у вершин А, где кривизна максимальна, мокнут достичь значений, во много раз превьппасощих значекив папряже(с 2 ~)е нссй в сплошной пластия- 3) аа ке.
Зона повышенных напряжепий, называемых местнымн, в соответствии с принципом Сеп-Пенана илсеет малые размерьг, 2а сравниваемые с раз«юров зоны резкого измепеппя границы. Благодаря про- СссстГГ" «ась'"ю тику расчетов па прочность вошло понятие «копРис. 13. Респевяе Колосова — Иссг- н лнсю з зерсяввзх малого эллиптического отверстая напряженая цептрации напра>ссессис1з.
могут презышаться зо много раз, Число, показывасощее, во например, для эллипса с о«поясе- сссолько раз местные навиел полуосей а/Ь =3 напра е пря ения превьсптают нонна превышаются з 1+2 Ь вЂ” МниалЬПЫЕ, паэываЕтся 7 раз коээзьбициентом конценг- рас1ии налрлигений и определяется формой выреза п своиствамп материала. Самая опасная ситуация возникает у острых вырезов в хрупких материалах. Чисто математические выводы о концентрации напряжений были встречены, как это часто бывает, с пз рядной долей скептицизма в среде ннжеперов-практиков (путь к современной науке о прочности и здесь пе был гладкилс). Кроме того, еще одно весьма острое противоречие стояло на етом пути.
Попробуем в нем разобраться. Допустим, пас заинтересовал вопрос о про шостп какого-нибудь материала. Зная, например. силы сцепления, связывающие два атома в твердом кристаллическом теле, моясно определить прочность материала путемстрогого расчета.
Таким образом, мы получим так называемую теоретическую прочность. Л можно изготовить образец из того же материала и оцределпть значение прочпости экспериментально. П рочностлч определенную таким путем, принято называть технической. Так зот, оказалось, что техническая прочпость значительно (в де- 23 вятки п сотни раз) мепшпе теоретической. Чем жеобьяснить столь резкое различие? В '1920 г. акадомик А. Ф. Иоффе ответил на атот вопрос несложным и эффектным опытом. Верется кристалл каменной соли. Экспериментально измеряется его прочность, как правило, равная нескольким десяткам ЫПа, Затем кристалл погружается в горячую воду, в которой растворяется поверхпостпьш слой некоторой толщпны. Затем вновь измеряется прочность кристалла.
На этот раз она окааывается намного более высокой — около 2000 МПа, что лишь в два раза меньше теоретического значения прочности. Вывод напрашивается сам собой. Лишившись поверхностного слон, кристалл освободился и от многочисленных ран, которые накопил па своих боках эа долгую жизнь,— щербин п царапни, трещин п других более мелких поверхностных дефектов. В нпх-то, очевпдпо, п заключалась причина былой непрочности кристалла.
Итак, совершенство структуры кристалла — гарантия повышенной прочности, близкой к теоретической. Следун этой идее, удалось поднять потолок прочности до значений порядка 10000 МПа, что до спх пор было незнакомо техпш;е. В тридцатых голах академики А. П. Алексанлроз п С. Н. Л(уръоз па стеклянных нитях достигли про шостп в 5900 МПа, а на кварцевых нитях— в 12 700 МПа (рпс. 14). В пятплесятьтх годах в Физикотехнпческом институте АН ССС!' имени А.
Ф. Иоффе, в лабораторкп А. В. Степанова были получены нитевидные мопокрпсталлы («усы») некоторых металлов с прочпостшо около 9800 Ы Па. Под руководство»т Ф. Ф. Вптмапа прочность оконного стекла была поднята до 4900 МПа — против прежних 50 МПа. Высокая (до 5900 МПа) прочность была достигнута в лаборатории академика С.
Н. 11(уркова на орпепыгрованпых полымерах. Такпъ«образом, было паглялпо показано, что «исправлеппе» дефектной структуры кристаллов увеличивает их прочность па несколько порядков и прпбли»кает ее к теоретическому зпачопию. Экспорпмепты по упрочпеппю кристаллов, а также многочисленные случаи преждевременного разрушения конструкций п сооружений прп напряжениях, значительно меньших расчетных, показали недостаточность развитых представлений о прочности как о постоянной ма. териала. Поэтому в исследованиях прочности появилось новое направление, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения. Согласно новому 27 подходу, тзк как разрушение проксходит в результате раавития реальных дефектов, прп оцепке прочности нужно учесть пмеющпсся в теле трещппы и определить их влияние на прочность.
Рвс. 14. Кварцевую нить можно изогнуть таким образом, Напряже- ния в ней прв атом превысят 4900 1пПа Новое направление в механике разрушения связывают с именем молодого английского ученого из Авиационного исследовательского центра в Фарнборо А. А. Гриффитса (1893 — 1963) . Основные результаты Гриффитс опубликовал в 1920 г., когда ему было только 27 лет. Гриффптс попытался достичь теоретической прочности в опытах на раарыв свежевытянутых тончайших стеклянных волокон н установил, что с уменьшением диаметра волокон пх прочность резко возрастает (рпс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
