1.5. Сопротивление разрушению

Конструкции и их элементы в эксплуатации подвергаются различным воздействиям, в частности, механическим нагрузкам, которые инициируют постепенное накопление поврежденности, т.е. процесс разрушения. Способность противостоять разрушению при действии механической нагрузки называют механической прочностью.

1.5.1 Трещиностойкость

Экспериментально установлено, что при механическом нагружении в материале или на его поверхности сначала появляются неразвивающиеся микротрещины, концентрация которых при напряжении σ увеличивается, постепенно достигая предельного значения, возрастающего с увеличением σ. Когда расстояние между микротрещинами уменьшится до троекратного среднего размера микротрещины, начинается объединение микротрещин вновь появившейся. Так образуется трещина, способная к постепенному увеличению своих размеров под действием нагрузки, т.е. магистральная трещина. Она по мере своего роста или возрастания напряжения увеличивает скорость, начиная от 10^-8 м/с до половины скорости звука в материале. Соответствующий размер трещины называют критическим, или катастрофическим, а предшествующее развитие трещины - докритическим.

Если предельная концентрация микротрещин при σ = const недостаточна для их объединения, то магистральная трещина не образуется, а, следовательно, не будет и фрагментации изделия. В противном случае долговечность** П изделия определяется как сумма периода П₃ зарождения магистральной трещины и периода П_р развития трещины до критического размера. У конструкционных сплавов П₃ < 0,4 П; эта доля зависит от чувствительности метода, в1 пользуемого для регистрации старта трещины. У материалов с входными дефектами структуры П₃ = 0, т.е. долговечность П = Пр и электрическая прочность изоляции в переменном электрическом поле определяется в значительной мере электроосмотическим давлением влаги в микропорах. т.е. микрокавитацией. Эти примеры _т иллюстрируют условность разделения прочности (стойкости) на различные виды. Но такое разделение облегчает анализ существующих процессов разрушения.

*Аналогично различают электрическую прочность, термостойкость, стойкость против коррозии и т.д. Часто коррозия ускоряет разрушение под действием механической нагрузки.

**При статическом нагружении (σ = const) П измеряют в единицах времени t, при циклическом нагружении с постоянным максимальным напряжением σ_ц за П принимают число циклов до фрагментации. Обычно время до разрушения при σ = const больше, чем при циклическом нагружении с σ_ц = σ, хотя, казалось бы, должно быть наоборот, так как среднее напряжение за цикл меньше σ.

Возникновение дефектов в теле возможно без нагрузки, например из-за анизатропии температурной деформации зерен (монокристаллов) при остывании. Если его коэффициент расширения вдоль вертикальной кристаллографической оси больше, чем в перпендикулярном направлении, то после остывания такое зерно оказывается в состоянии двухосновного растяжения. Соответствующие напряжения, сохраняющиеся в теле без нагрузок (т.е. внутренне уравновешенные), называют остаточными, или технологическими. Эти напряжения могут вызывать появление трещин в пределах зерна – микротрещин.

К_α – коэффициент интенсивности напряжений (КИН), соответствующий смещению нормального отрыва (К_|), поперечного сдвига (К_||) и продольного сдвига (К_|||), f_ij^a – безразмерная функция θ.

Как видно из формулы σ_ij=K_af_ij^a(θ) / (2πr)^1/2 , распределение напряжений в окрестности вершины трещины не зависит ни от размеров и формы отрещины, ни от геометрии тела, ни от величины и характера внешних нагрузок, а определяетя только коэффициентом K_a, который, в свою очередь, не зависит от координат r и θ. Следовательно, коэффициенты K_a, полностью характеризуют напряженное состояние, обусловленное наличием разреза – трещины.