Партон В.З. - Механика разрушения. От теории к практике (1015817), страница 5
Текст из файла (страница 5)
15) и становится сравнимой с теоретическими оценками. Сильное отличие прочности подавляющего большинства реальных твердых тел от теоретической Гриффитс объяснил наличием в нпх трещин, быть может, и невидкмых, но аначительно превышающих по размеру мешмолекулярные расстояния. Основная заслуга ив английского ученого состопт в том, что ои йвяйал причины развития в теле трещины с процессамп накопления и освобождения в пем эпергпп деформаций, Великолепной была и идол распространения математическкх ос,Ила Верхнио" предел 70000 Мда П20 000 О 005 0,70 005 г Рис. 15. Такая зависимость между прочностью ое стекляаных во- локон и их толщиной была обнаружена Грпффитсом расчетов Инглиса о концентрации напряжений у корабельных люков на дефекты микроскопических размеров: Гриффитс понял, что для роста трещины необходимо затрачивать работу на образование новых поверхностей ыатериала, пропорционально длине трещины е) ), т.
е. с) (для хрупкого материала с — постоянная материала, определяемая его физико-механически ыи свойствами) (рис. (6). При атом в процессе распространения трещины будут разгружаться заштрихованные на рисунке области, прилегающие к трещине е*), и будет освобож- е) Примем для простоты, что речь вдет о плоской сквозной трещине е пластинке единичной толщины. В таком случае площадь поверхности трещиаы равна 2 1 1 (тек как у трещины деа берега). еь) Понятие зоны существенной разгрузки представляется весьма неопределенным.
Если рассматривать найденную в расчете или експеримеате картину напряженно-деформированного состояния, то одним покажется, что наиболее существенное понижение напряжений происходит приблизительно н квадрате, диагональю которого является трещина (нлощедь квадрата (1/2) р), другим же — что разгрузка прояеляетса а основном внутри круга, постро- 29 даться энергия деформации, пропорциональная их пло-. щади, т.
е. квадрату длины: И'= (И) 1 (решение Ипглиса понадобилось Гриффптсу для вычисления константы й). Для малых трещин, рассужчал Гриффитс, для которых И < с, освобожденной энергии недостаточно для Рис. )б Пря расврострапеппи трещины раэгруя;ается материал е прилегающих я вгй (еаштрвхоееяпых) областях, освободившаяся эпергпя стекает е вершины трещяпы и расходуется тап ва разрушение матерпала разрыва материала.
Для больших же, когда И > с, энергии атой хватит на разрыв, и трещина рванется вперед с громадной скоростью, если материал хрупкий. Правильность теоретических выводов А. А. Гриффитс подтвердил экспериментально на стеклянных сферических колбах и цилиндрических трубках, на которые наносилась трещина и в которых создавалось (с помощью сжатого воздуха) внутреннее давление. Выбор стекла в качестве материала, наиболее точно подтверждающего теорию А. А. Гриффитса, пе случаен. Зтот важнейший материал (наиболее распространенный после металла н дерева) очень хрупок, деформируется упруго вплоть до разрушения, что оправдывает использование упругого решения К. Кнглиса. В ходе аксперимента намерялись внутреннее давление и длина трещины в момент ее страгивания, которое всегда заканчивалось разрушением стеклянной колбы или трубки на мелкие осколки*).
Гриффитс сумел сформулировать два условия, каждое из которых является необходимым для распростра- енного на трещине как на диаметре (площадь круга (п14)Р], третьи увидят что-то другое. Однако все наверняка согласятся с тем, что площадь аопы раагрузни когтево подсчитать, умножив р ва множитель порядка единицы. е) Объяснение такого характера разрушения читатель найдет в гл. П), пения трещины, достаточным же для роста трещины яв. ляется одновременное выполнение этих двух условий. Первое условие заключается в том, что процесс роста трещины должен быть энергетически выгодным, а второе условие относится к существованию микромеханизма, способного осуществить преобразование запасенной энергии (именно наличие такого механизма преобразования энергии и отличает хрупкие материалы от вязких).
У автомобиля, спускающегося с горы, должны быть не удерживаемые тормозами колеса для того, чтобы происходило преобразование запасенной в пем потенциальной энергии в кинетическую. Иллюстрацией происходящего преобразования энергии, запасенной в твердом теле с помощью автомобиля без тормозных колодок, разумеется, весьма примитивна. Л вот другой пример: недавно г1ам удалось, используя изоморфнзм явлений и, в частности, аналогию между напряженным и электрическим состояниями, создать оригянальпую теорию электрического пробоя диэлектрика (см. об этом в э 32). Конечно, можно привести множество н более сложных примеров, в которых усматривается аналогия с преобразованием энергии прп хрупком разрушении.
Но главное здесь пе в этом. Главное в том, что для любых видов энергии (хорошо известных со школьных лет механической, электрической н модной в последнее время энергии биополя) процесс преобразования доля ен быть подготовлен достаточной концентрацией энергии, которая расходуется но качественное преобразование объекта. Здесь безусловно уместно вспомнить об общефилософских законах перехода количества в качество. Не буду настаивать па том, что такпе аналогии являются пряпьв|п, без которых невозможны исследования в сфере естественных паук, Вернусь к теории Гриффитса, которая одними свецпалнстами была встречена весьма скевтпчоски (что зшжет быть и естественно для новых теорий) и вызвала кратковременный интерес у других.
Даже сам автор постепенно охладел к проблеме хрупкого разрушения я никогда впредь к ней не возвращался. Отчасти причиной забвения послугкпло то, что классическая копцопцпя хрупкого разрушения Гриффитса была связана только с такими хрупкими материалами, как стенла, а металлы оставались впе сферы ее применимости. Правда, вряд ли бы Грнффптс сумел создать эту теорию, если бы он взял для своих опытов не стекло, э1 а канон-то другой материал, где хрупкое разрушение не проявлялось бы в таком чистом виде, а сопровождалось текучестью, вязкостью, ползучестью и другими явлениями. Следующий значительный шаг в трудном пути становления современной механики разрушения связан с экспериментальными исследованиями английского ученого Дяь Ирвина (1948 г.) и венгерского ученого Е.Орована (1950 г.), предложившими использовать теоризо Гриффитса для квазихрупкого з) разрушения металлов к неметаллов, когда все необратимые процессы пластических деформаций происходят лишь в малой окрестности вблизи вершины трещины.
Достаточно только в теории Гриффитса константу, равную поверхностной энергии материала, заменить на удельную работу пластических деформаций (последняя может в сотни и тысячи раз превосходить первую), и тогда теория Гриффитса окажется полезной для многих распространенных материалов. Но к етому поразительно простому и ясному выводу Джордж Ирвин пришел в итоге почти десятилетних раздумий.
Еще до второй мировой войны профессор Ирвин, начав работу в научно-исследовательской лаборатории Военно-морскях сил, участвовал в баллистических испытаниях плит из корабельной стали. Главными специалистами на полпгопах были тогда металлурги, подходившие после выстрела к мншспи и старательно зарисовывавшие вмятину в плите и откол на обратной стороне плиты. Именно участие в таком ритуале (подобном рисованию листьев и амеб у биологов) способствовало, по слонам Ирвина, зарождению у него стойкого интереса к проблеме разрушения, который не покидал его никогда и благодаря которому оп внес в механику разрушения неоцепимый вклад. Вместо того, чтобы рассматривать общий энергетический баланс всего тела, Ирвин занялся изучением поля напряжений в непосредственной близости от конца трещины, куда стекает энергия и где возникает драматическая картина хрупкого или почти хрупкого разрушения.
Воспользовавшись известными к тому времени решениями задач, Ирвин покааал, что единствопным параметром, определязощим напряженное состояние концевой зоны, является так называемый коэффициент интенсивности напряжений. Это понятие для современной мехаппкн разрушения явилось ") Подробнее об атом вовятяз им яогозорзм позже.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
