Диссертация (1025596), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

зафиксировано более 1500 разрушений врешётчатых металлических перекрытиях общественных зданий (плавательныебассейны, ледовые катки, гипермаркеты и т.п.).Наиболее крупные аварии, происшедшие за рубежом [2]:1995 г. – обрушение в торговом центре Sampoong (Сеул, Корея), погибло502 человека;2004 г. – перекрытие терминала аэропорта «Шарль-де-Голль» (Париж,Франция), погибло 4 человека;2006 г. – перекрытие ледового катка в Германии, погибло 15 человек;2006 г. – крыша торгового зала (Катовица, Польша) погибло 65 человек;2013 г. – кровля торгового центра «Maxima» (Рига) погибло 54 человек.Подобные аварии в перекрытиях общественных и производственных зданийзафиксированы в нашей стране [2, 3, 4], в их числе наиболее крупные:2004 г. – обрушениеспортивно-оздоровительногокомплекса«Трансвальпарк» (Москва) погибло 28 человек;2005 г.

– обрушение крыши бассейна «Дельфин» (г. Чусовой, Пермской обл.)погибло 14 человек; склад готовой продукции комбината «Печенга-Никель»;2008 г. – филиал «Сургутская ГРЭС»;2010 г. – завод ЖБК (Ангарск); завод силикатного кирпича (г. Орел).14Основнымметаллическихспособомсоединенияконструкцияхявляетсяотдельныхэлементовэлектродуговаяиузловсварка.вОбъёмыпроизводства сварных конструкций во всём мире составляет сотни миллионовтонн и растут из года в год [5]. Вместе с тем, согласно статистике, 70 – 80%отказов этих конструкций связано со сварными соединениями, хотя как ужеотмечено выше массовая доля металла шва в металлоконструкциях редкопревышает 1% [6].Исследования случаев отказа металлоконструкций показали, что в зонесварки, как правило, наблюдаются хрупкие разрушения, характеризующиесяотсутствием заметных предшествующих деформаций.

Проблеме хрупкогоразрушения посвящено большое количество работ [7 – 12], ставших основойнового научного направления – «механики разрушения».1.2. Основные положения механики разрушения1.2.1. Взаимодействие атомов в кристаллическом телеСовременнаятеорияхимическойсвязибазируетсянаквантово–механических представлениях о строении вещества [13]. Большинство простыхвеществприпонижениитемпературыобразуетконфигурациюатомов,представляющих собой регулярное симметричное множество атомов – кристаллы,в которых расстояние между атомами колеблется в пределах 0,3 – 0,6 нм. Приэтом в результате взаимодействия атомов между ними возникает химическаясвязь, основной характеристикой которой является энергия и длина связи.Взаимодействие между атомами характеризуется силами притяжения (+f) иотталкивания (-f), величина которых имеет кулоновскую зависимость отрасстояния между атомами. При сближении атомов возникают две силывзаимодействия между ними: во-первых, силы отталкивания электронныхоболочек (кривая –f на Рис.

1.1) и, во-вторых, силы притяжения (кривая +f).15Рис. 1.1. Зависимость сил взаимодействия между атомами от межядерногорасстояния rИз приведенного рисунка видно, что согласно закону Кулона силыотталкивания между одноименно заряженными электронными оболочкамидействуют на бо́льших расстояниях, чем силы притяжения, когда атомы ещёдостаточно удалены друг от друга. Силы притяжения начинают проявлятьсятолько при перекрывании электронных облаков, когда между атомами начинаетувеличиватьсяэлектроннаяплотность(электроныкакбыстягиваютположительно заряженные ядра). Например, при взаимодействии атомовводорода силы отталкивания становятся заметными, начиная с 0,5 – 0,6 нм, а силыпритяжения – с 0,4 нм.Результирующая сила fS = -f+f с уменьшением межатомного расстоянияменяется по сложному закону.

Вначале при сближении атомов превалируют силыпритяжения (кривая fS идёт вниз до точки с). Затем, с уменьшением межядерногорасстояния начинает проявляться отталкивание не только между электронами, нои между положительно заряженными ядрами. После точки «с» результатирующаякривая fS начинает подниматься вверх и при расстоянии между ядрами r0пересекает ось абсцисс.

Это означает, что при r = r0 силы -f и +f уравновешены и16fS = 0. Расстояние r0 называется равновесным межатомным расстоянием, вкристаллах – это параметр кристаллической решетки.1.2.2. Теоретическая и практическая прочность кристаллического тела.Разрушение сколомСуществует два основных типа разрушения:1 – разрушение вследствие разрыва межатомных связей (скол) – хрупкое (Рис. 1.2)2 – разрушение вследствие среза – вязкое (Рис.

1.3).Рис. 1.2. Чисто хрупкое разрушениеРис. 1.3. Чисто вязкое скольжение или образование шейки до вытягивания влинию, либо в точкуНи один из этих типов разрушения в чистом виде не наблюдается напрактике при разрушении металлов. Хрупкий скол часто происходит после17пластической деформации зерна или кристалла. А развитие шейки всегдазаканчивается разрывом межатомных связей (хрупкое разрушение) задолго дотого, как диаметр поперечного сечения обращается в нуль.Чтобы переместить атом кристаллической решетки из равновесногоположения на расстояние dr необходимо затратить работу dU на преодоление силсцепления f:dU = fdr(1.1)Зависимость энергии взаимодействия пары атомов от межъядерного расстояния rимеет такой же характер как и результирующая fS представленная на Рис.

1.4, а, асилы f= dU/dr имеют минимум в точке с координатой r=r0 (Рис. 1.4, б).Рис. 1.4. Зависимость энергии связи U (а) и dU/dr от расстояния между атомами r (б)Механику хрупкого разрушения рассмотрим на примере разрушения тела скубической кристаллической решеткой [14].Прочность при растяжении кристаллического тела – это напряжение,необходимое для разделения его по определенной кристаллографической18плоскости. Рассмотрим условия разрушения сколом кубической решётки поддействием растягивающего напряжения σ (Рис. 1.5) [14].Рис. 1.5. Разрушение кристалла сколом по плоскости (ХХ)Основатель теории разрушения Гриффитс, рассматривал разрушениетвёрдого тела как процесс образования двух новых свободных поверхностей.Общее количество работы, необходимое для разведения пары атомов набесконечное расстояние, равно U0.

Эту работу разрушения твёрдого тела онприравнял к удвоенной величине поверхностного натяжения g:U 0 = 2g(1.2)При перемещении атома в паре С’ – C’ на расстояние dr возникаетединичное напряжениеs1 =f1s1(1.3)где f1 – сила взаимодействия между парой, s1 – единичная площадьвзаимодействия. Напряжение, действующее по всей площади XX:s = ås 1 = åfs(1.4)Если напряжение достигнет максимума, то произойдёт разрыв связей поплоскостиXX,произойдетопределяется выражениемскол,приэтомразрушающеенапряжение19s max =E ×gr0(1.5)где Е – модуль упругости материала (модуль Юнга).Гриффитс одним из первых дал оценку величины σmax (теоретическойпрочности) стекловидных тел. Оказалось, что практическая прочность этих телменьше теоретической (Е/10) примерно на два порядка (Рис.

1.6). В своей работе[15]онвыявилпричиныэтогонесоответствияипредположил,чтомакроскопическое тело содержит микротрещины, в окрестности которыхсоздаетсяконцентрациятеоретическойнапряжений.прочностииЭтинапряженияспособствоватьразвитиюмогутдостигатьвышеуказанныхмикротрещин.При этом проявляется масштабный фактор: чем больше сечение образца,тем больше в нём микротрещин. С увеличением диаметра стеклянного волокнапрочность уменьшается и приближается к прочности обычного стекла (Рис.

1.6)[15].Рис. 1.6. Влияние толщины стеклянной нити на её прочность [15].Рассматриваяусловияразвитиямикротрещины,имеющейформуэллипсоида с большой осью 2а («Трещина Гриффитса») он пришёл к выводу, что20трещина начинает расти при достижении концентрации напряжений на её концахвеличины, определяемой коэффициентом интенсивности напряженийK1C = s p a(1.6)где σ – приложенное к телу напряжение; цифра 1 указывает первый типразрушения – сколом.Таким образом, причиной несоответствия теоретической и наблюдаемой напрактике прочности материалов является наличие в них микроскопическихдефектов.Вследствиеконцентрациинапряженийоколоэтихдефектовразрушение материала происходит при напряжениях на два порядка меньших,чем предсказывает теория. Критическая величина концентрации напряжений, прикоторых происходит развитие микротрещин согласно (1.6) зависит от величиныприложенных напряжений и размера зародышевой микротрещины.1.2.3.

Виды разрушения материалов. Хрупкое разрушение (скол)Как уже отмечено, в механике разрушения представления о процессеразрушения твердых тел базируются на идее существования двух типовразрушения:1. Разрушение от растягивающих напряжений вследствие разрыва межатомныхсвязей – хрупкое (скол).2. Разрушение от касательных напряжений, вследствие среза – вязкое.ТеорияпластическихГриффитса,рассматривавшаядеформаций,успешноразрушениеподтвердиласьнателабезучётапрактикеприисследованиях прочности хрупких тел. На самом деле в природе не существуетабсолютно хрупких тел, всё зависит от условий при нагружении (температураокружающей среды и скорость нагружения). Даже струя жидкости при ударепальца копра со скоростью 23 м/с ломается хрупко, как твердое тело [8], а мраморпри длительном нагружении проявляет пластические свойства.Поэтому для объяснения разрушения пластичных материалов, в первуюочередь–металловтеорияГриффитсабыламодифицирована.Вместо21микротрещин Гриффитса процесс разрушения металлов рассматривали с учётомдефектов в их структуре (вакансии и дислокации, неметаллические включения,обособленные структурные фазы и т.п.).Наличием этих дефектов объяснили низкую практическую прочностьметаллов по сравнению с теоретической.

Орован [9] и Ирвин [10] предположили иэкспериментально подтвердили, что энергия, высвобождаемая при развитиитрещины в металле, в значительной степени затрачивается на пластическоетечение около вершины трещины.Пластическая деформация в металлах является следствием перемещениядислокаций под действием напряжений, температурных, концентрационных идругихфакторов.Восновемеханикиразрушенияметалловлежитдислокационная теория [11]. Предполагается, что разрушение проходит в дваэтапа: зарождение трещин и их развитие. Считается, что краевая дислокация наконце лишней атомной плоскости содержит зародышевую трещину. Поддействием касательных напряжений дислокации перемещаются и скапливаютсяперед препятствием, тормозящим движение (инородные включения, границызёрен, субструктуры и другие дефекты). Эти скопления могут служитьзародышами микротрещин.

Характеристики

Список файлов диссертации