Механика разрушения твердых тел представляет раздел физики твёрдого тела, который занимается изучением закономерностей начала формирования и развития трещин. Широкое использование в механике разрушения получили аппараты теории упругости, пластичности и материаловедения.
Основы механики разрушения заложил в своей работе Алан Гриффитс на основании опытов с исследованием разрушений стеклянных образцов, согласно которым становятся возможными запасы потенциальной энергии упругой деформации (примеры с растяжением пружины), также опыты показали, что при растущей трещине происходит высвобождение потенциальной энергии.
Гриффитсу удалось показать, что увеличение трещины становится возможным исключительно в случае выделения при ее росте большего количества энергии, чем потребуется для формирования новых поверхностей в процессе роста этой трещины (иными словами, - для разрыва связей в вершине трещины между атомами). Такой подход в физике назвали энергетическим критерием хрупкого разрушения.
Задачи механики разрушения
Процессы разрушения представляют собой достаточно сложные природные явления, постоянно сопровождающие наш мир в процессе какой-либо деятельности.
В физике выделяют следующие негативные факторы разрушения: катастрофическое разрушение относительно строительных объектов; механическое разрушение машинных деталей; смещение грунтов и разрушение различных сооружений, связанное с этим; явления ползучести во всех сферах; разрушение коррозией и т.д.
В качестве позитивных факторов, используемых человеком, выделяют: любую механическую обработку материалов резанием, добычу полезных ископаемых и также декоративно-прикладное применение. В развитых странах около 5% ВВП взаимосвязаны с потерями в хозяйстве по факту различного рода разрушений или проведения различных предотвращающих их мероприятий.
Механика разрушения занимается, в свою очередь, исследованием причин образования разнообразных дефектов и их распространения до катастрофической степени разрушения объекта. На сегодняшний день проблема разрушения стоит остро и является объектом повышенного внимания при изучении сопротивления и прочности материалов. В настоящее время ученым удается решать многие задачи, связанные с применением механики деформируемых твердых тел, также стало возможно создание предельно легких, дешевых и достаточно прочных конструкций.
К главным задачам механики разрушения относятся такие:
- исследование условий развития трещин в упругих и упругопластических материалах;
- решение многих задач на тему распределения напряжений и различных деформаций в окрестностях трещин;
- введение определенных характеристик трещиностойкости конструкционных материалов;
- исследование разнообразных методов испытаний, а также технологических процессов и эксплуатационных условий относительно критерия трещиностойкости;
- прогнозирование ресурса для тел с усталостными трещинами;
- прогнозирование эффекта трещиностойкости композитов.
Линейная механика разрушений является разделом механики разрушений, где материал изучается в линейно-упругой области. Наряду с тем, классическая» линейная механика разрушений существует исключительно для однородных конструкционных материалов.
В природе известны только три вида нарушения прочности: излишняя деформация; потеря устойчивости; степень разрушения.
Разрушение может оказаться частичным (в теле начинают возникать повреждения материала в форме отдельных трещин или дефектов, распределяемых по объему дефектов) либо полным (когда происходит деление объекта на части).
Виды разрушений в природе
В природе существует несколько основных видов разрушений. Наиболее распространенные из них следующие:
- Пластическое (или вязкое) разрушение соблюдается в условиях значительной пластической деформации, протекающей в отношении практически всего объема, и сопровождается существенными деформациями. По времени, этот процесс, как правило, продолжительный и после разрушения совмещение частей тела становится невозможным.
- Хрупкое разрушение (становится возможным вследствие распространения магистральной трещины, пластические деформации при этом сосредоточены в малой области вершины у трещины).
В то же время, существуют определенные подвиды для хрупкого разрушения.
- Упругое (идеально-хрупкое) становится возможным с исключением пластических деформаций. Из осколков разрушенного тела, в принципе, возможно новое воссоздание тела прежних размеров. Абсолютно хрупкое разрушение действует в отношении материалов с деформированиями на диаграмме только упругого участка.
- Квазихрупкое разрушение, при котором наблюдается присутствие пластической зоны в малой области вблизи вершины трещины. Вся остальная часть пребывает в упругом состоянии.
- Усталостное разрушение представляет собой третью разновидность разрушений и характеризуется накоплением необратимых микро разрушений и деформаций в условиях циклического (повторного) нагружения. Излом при этом оказывается макроскопически хрупким и у его поверхности материал наклепан. Различают следующие виды «усталости»: многоцикловая (обычная усталость при номинальном напряжении меньше предела текучести) и малоцикловая (номинальные напряжения превышают предел текучести).
Еще одним видом разрушений считается нарушение ползучести, что актуально для больших массивов в сфере добычи полезных ископаемых.
Также стоит отметить и такой вид разрушений, как коррозионное разрушение, сопровождающееся появлением и развитием трещины в условиях агрессивной среды. Данный вид разрушения актуален для находящихся вблизи морского побережья объектов и в условиях эксплуатации в агрессивных средах (например, энергоустановки и атомные реакторы).
В природе возможны: статическое развитие разрушения, когда оно устойчиво, медленно и хорошо контролируется и динамическое (когда фронт трещины достигает скоростей, подобных скорости звука).
Линейная механика разрушения твердых тел
Рисунок 1. Понятие о механике разрушения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Линейная механика разрушения твердых тел является наиболее применяемым в инженерии разделом механики в плане изучения твердых тел.
В таком типе механики допускаются следующие допущения: идеальная упругость материала (соблюдение закона Гука), малая степень деформаций сравнительно с длиной трещины и размером детали, материал при этом является сплошным; основанный на балансе выделенной и поглощенной энергии у вершины трещины критерий, силовой критерий, который основан на анализе напряженно-деформированного состояния тела (в определенной области у вершины трещины).
В качестве самых распространенных конструкционных материалов выступают упруго-пластические металлические сплавы. Критерием применимости линейной механики разрушения выступает величина зоны пластической деформации (на вершине трещины).
