2.2. Влияние режима нагружения на прочность и разрушение твердых тел. Основные закономерности временной и температурной зависимости прочности твердых тел.

Режимы нагружения: (всего 5, 2 – статических, 3 – динамических)

• статические:

  • при Р =const (σ=const)

  • при ε=const;

• динамические:

  • с постоянной скоростью нагружения (или деформации),

  • периодические (или циклические) нагружения

  • ударные деформации.

Прочность и долговечность материалов и конструкций сущест­венно зависят от режима нагружения и вида напряженного сос­тояния.

При режиме σ=const начавшийся процесс разру­шения ускоряется, а напряжение (σ') в еще неразрушенном сече­нии образца непрерывно возрастает по мере роста трещины.

При режиме нагружения ε=const по мере роста трещины про­исходит разгрузка образца, а запас упругой энергии может умень­шиться настолько, что скорость роста трещины станет замедляться или обратится в нуль. Чем короче образец, тем это вероятнее, тогда как у длинного образца запас упругой энергии достаточен, чтобы обеспечить затраты на разрушение образца. Следовательно, второй режим нагружения менее опасен.

При исследованиях прочности твердых тел замечено, что раз­рушение их происходит и при напряжениях (σ) меньших крити­ческого (σ_к) или при перенапряжениях в вершине трещины П_σ< <П_к. Это явление получило название усталость материала. При воздействии статических нагрузок усталость проявляется менее резко, чем при циклических или динамических нагружениях.

Усталость

• Циклическая

• Статическая

Различают циклическую и статическую усталость материа­лов. Статическая усталость у твердых тел проявляется в виде вре­менной зависимости прочности. Установлено, что временная зави­симость прочности твердых тел, связывающая приложенное к об­разцу статическое напряжение со временем до разрыва, не явля­ется результатом воздействия каких-то факторов, сопутствующих разрушению, а определяется природой самого процесса разруше­ния.

Уравнение долговечности, выражающее температурно-временную зависимость прочности твердых тел

,

τ₀ - постоянная, численно близкая к периоду тепловых ко­лебаний атомов; τ₀=10^-12-10^-13 с; к - постоянная Больцмана; к=14,15·14^-24 Дж/град; Т - абсолютная температура.

Энергия активации (и) для многих твердых тел зависит от на­пряжения а, уменьшаясь по закону

и = и₀ - γσ,

где и₀ - энергия активации элементарного акта процесса раз­рушения в отсутствие напряжения, близкая по величи­не к энергии сублимации для металлов и к энергии химических связей для полимеров; γ - коэффициент, зависящий от природы и структуры матери­ала.

Графики зависи­мости, соответствующие различным температурам, об­разуют пучок, выходящий из одного полюса, соответствую­щего σ=σ_к . Чем ниже температура, тем слабее выражена временная зависи­мость прочности, о чем свидетельствует изменение угла наклона графика к оси времени. При относительно низких температу­рах и больших скоростях растяжения разрыв твердого тела близок к критическому разрушению. Это значит, что при низких темпера­турах время нагружения практически не влияет на величину раз­рывного напряжения. Иначе говоря, разрыв не произойдет при всех σ<σ_к, сколь бы долго материал не находился в напряженном состоянии. Этим оправдывается введение понятия «предела проч­ности» или технического понятия «временного сопротивления от­рыву». Во всех других усло­виях испытаний нельзя говорить о прочности без указания време­ни, в течение которого образец или деталь находились в напря­женном состоянии до разрушения.

При напряжении σ=σ_к = долговечность одинакова для всех температур, т. е. τ=τ₀. Величины σ_к и τ₀ соответствуют координатам полюса, из которого исходит семейство прямых временной зависимости прочности. При граничных условиях уравнение неверно, поэтому при σ=σ_к значе­ние долговечности . τ=τ₀= 10^-12 с реального смысла не имеет.

Основными факторами, обусловливающими разрушение твер­дых тел, являются напряжение и температура; напряжение умень­шает энергию активации (и), а тепловое движение приводит к разрыву связей, вероятность которого зависит от величины отно­шения и/кТ. Поверхностно-активная среда влияет на значения и₀ и γ; в отдельных случаях сильные поверхностно-активные среды играют такую же большую роль, как и температура.

С изменением температуры происходит изменение физических и механических свойств материала. Эти изменения в свою очередь оказывают огромное влияние на характер разрушения.