книги / Основы физики и механики разрушения

В отличие от ПНС, при ПДС компонента ε33 = 0 (2.2), что показывает, что пластическая деформация материала в этом случае максимально стеснена, и следовательно, условия для развития хрупкого разрушения наиболее благоприятны. Полезно отметить, что в этом случае

σ33 ≠ 0 (2.1).

2.4. Энергетический подход в упругой механике разрушения

26 февраля 1920 г. английский ученый А.А. Гриффитс публикует свою статью «Явление разрушения и деформирования твердого тела» [4], которая легла в основу всей механики разрушения. Гриффитс рассматривает плоскую пластину единичной толщины, бесконечной ширины, которая содержит трещину длиной 2ℓ (рис. 2.14). Пластина находится в поле однородного напряжения σ, перпендикулярного плоскости трещины, т.е. рассматривается трещина І типа.

Рис. 2.14. Бесконечная пластина в поле однородного напряжения σ с трещиной I типа длиной 2 A

где U – общая энергия; Г – поверхностная энергия, которая израсходована на образование поверхностей трещины; W – потенциальная энергия, накопленная в результате упругой деформации.

41

Поверхностная энергия Г будет зависеть от термодинамической поверхностной энергии γ0 и длины поверхностей трещины (2·2ℓ), т.е.

С увеличением ℓ общая энергия системы U сначала растет, а после того, как ℓ достигнет определенного критического размера ℓС, дальнейшее увеличение ℓ ведет к уменьшению U (рис. 2.15). При увеличении длины трещины на величину dℓ общая энергия изменяется на величину dU в результате изменения поверхностной энергии на величину dГ и потенциальной энергии на величину dW, т.е.

Разделив (2.6) на dℓ, получим изменение энергетического баланса системы при увеличении трещины на единицу длины:

Тогда из выражений (2.4) и (2.5) следует

Если заместим (2.7) выражениями (2.8) и (2.9), получим

42

Рис. 2.15. Изменение энергетического баланса по А.А. Гриффитсу: U – общая энергия системы; Γ – поверхностная энергия, израсходованная на образование поверхностей трещины;

W – потенциальная (упругая) энергия системы

При росте трещины, когда реализуется условие ℓ = ℓС, наступает критическое (равновесное) состояние системы, при котором (см. рис. 2.15)

dU = 0. dA

В этом случае уравнение (2.10) запишется в виде

Очевидно, в условиях равновесия, когда ℓ = ℓС, потенциальная упругая энергия (dW dA), которая освобождается при росте трещины,

целиком расходуется в виде энергии (dГdA), необходимой для обра-

зования новых поверхностей. При ℓ > ℓС освобожденная энергия будет больше, чем поглощенная, и трещина начнет развиваться самопроизвольно, в то время как при ℓ < ℓС освобожденная энергия недостаточна для образования новых поверхностей и трещина расти не будет.

Из выражения (2.11) получается знаменитая формула Гриффитса, в которой в первый раз в единую зависимость связаны напряжение σC, длина трещины ℓС и энергия γ0 , израсходованная при ее развитии:

43

Эта формула относится к плосконапряженному состоянию. В случае плоскодеформированного состояния получим

На рис. 2.16 представлен график зависимости (2.12), из которого видно, что трещина размера AC1 находится в критическом состоянии

при напряжении σC1 . Если критический размер трещины увеличится до размера AC2 , то соответствующее критическое напряжение уменьшится до значения σC2 .

Рис. 2.16. Графическое представление формулы А.А. Гриффитса

Гриффитс проверил свою теорию на образцах из стекла. Полученные результаты хорошо подтверждаются опытами с алмазом, вольфрамом и другими тугоплавкими металлами. Во всех этих случаях разрушение хрупкое и протекает в упругой области.

Приложение теории Гриффитса для объяснения экспериментальных данных, относящихся к материалам, характеризующимся своими

44

пластическими свойствами, каковыми являются широко используемые на практике металлические материалы, наталкивается на большие противоречия. Экспериментальные данные не соответствуют полученным с помощью формул (2.12) и (2.13). Возникшие затруднения были преодолены в работах Орована и Ирвина [5], которые заметили, что при хрупком разрушении стальных и алюминиевых пластин перед фронтом развивающейся трещины обязательно наблюдается пластическая деформация. Следовательно, освобожденная упругая энергия при увеличении длины трещины расходуется не только на образование новых поверхностей в форме поверхностной энергии γ0 , но и на пластическую

деформацию γпл перед фронтом трещины. При этом оказывается, что

работа, израсходованная на пластическую деформацию перед фронтом трещины, при наступлении нестабильного (хрупкого) развития трещины играет роль специфической характеристики, определяющей сопротивление материала развитию трещины, аналогично предложенной Гриффитсом поверхностной энергии γ0 .

Вводится представление об общей энергии разрушения γоб, кото-

рая расходуется при развитии трещины и которая может быть записана следующим образом:

Оказывается, что γпл 2γ0 , в результате чего (2.14) примет вид

γоб ≈ γпл.

Тогда уравнения (2.12) и (2.13) могут быть записаны как

Концепция, развитая Орованом и Ирвином, открывает возможности перехода от «идеального» материала, рассмотренного в модели Гриффитса, к реальным металлическим материалам, используемым в инженерных сооружениях.

45

Запишем зависимость (2.7), принимая во внимание знак «минус» в уравнении (2.9):

Полученное выражение отражает тот факт, что при развитии трещины, в то время как энергия dГ/ dA поглощается, энергия dW / dA освобождается, т.е. эти две энергии имеют противоположные знаки. В механике разрушения принято эти энергии обозначать следующим образом:

R характеризует энергию, которая поглощается при развитии трещины и определяет сопротивление материала развитию трещины, т.е. его трещиностойкость.

G характеризует энергию упругой деформации, которая освобо-

ждается при росте трещины. Буква G выбрана в честь Гриффитса

(Griffith).

С учетом (2.16) и (2.17) зависимость (2.15) можно записать как

Из (2.18) следует, что величина GC, в отличие от G, является характеристикой трещиностойкости материала. Иногда ее называют вязкостью разрушения. Таким образом, когда потенциальная энергия упругой деформации G, которая освобождается при развитии трещины, достигнет величины GC, наступает критическое состояние системы, и в этот момент реализуется необходимое условие для самопроизволь-

ного разрушения. В этом случае энергетический критерий разрушения

может быть записан таким образом:

46

Для трещин I, II и III типов в условиях ПДС в (2.19) добавляется соответствующий индекс, характеризующий трещину. Например, в случае трещины I типа уравнение запишется как

G = GIC .

Формула (2.19) относится к случаю ПНС.

Рис. 2.17. Изменение R в условиях плоскодеформированного (1) и плосконапряженного (2) состояния

Проведенные многочисленные исследования показали (рис. 2.17), что в случае ПДС энергия, которая поглощается при развитии трещины, является постоянной величиной и выражение (2.16) примет вид

dΓ dA = R = const. При ПНС поглощенная энергия зависит от A и (2.16)

запишется в виде dΓ dA = R ≠ const.

2.5.Силовой подход в упругой механике разрушения

Винженерной практике наибольшее распространение в механике разрушения получили силовые подходы, которые связаны с введенным Ирвином [6, 7] понятием коэффициента интенсивности напряжения. Развитие силового подхода (в терминах напряжения и перемещения) позволяет создать достаточно строгую и цельную теорию линейной ме-

47

ханики разрушения, которая может быть использована для изучения свойств материалов, расчета элементов конструкций и анализа хрупких разрушений, которые происходят в эксплуатации.

Рис. 2.18. Трещина I типа и компоненты тензора напряжений в данной точке перед ее вершиной

Рассмотрим пластину бесконечной ширины (рис. 2.18), содержащую трещину І типа (трещина нормального отрыва) длиной 2A, находящуюся под действием напряжения σ. Компоненты тензора напряжения и перемещения (u, v, w) по направлениям x, y, z определятся следующим образом:

48

Анализируя эти зависимости для напряжений перед фронтом трещины, видим, что их структура сходна и они могут быть записаны в общем виде

Если рассмотрим ситуацию, когда θ = 0, то радиус-вектор r совпадет с осью х (см. рис. 2.18), и в этом случае напряжение σy в уравнениях

Необходимо отметить следующее очень важное обстоятельство – правая часть равенства (2.21) представляет только первый (сингулярный) член разложенного в ряд Тейлора многочлена:

становятся пренебрежимо малы и могут быть отброшены. Тогда (2.23) трансформируется в уравнения (2.21) и (2.22). Следовательно, эти зависимости дают точные решения, когда r стремится к нулю. Эти формулы в литературе называют еще асимптотическими, поскольку при r → 0

получаем σ → ∞, т.е. ось ординат играет роль асимптоты.

На рис. 2.19 показано распределение напряжений перед фронтом трещины [8]. Обозначены три характерные зоны. Из (2.22) видно, что при х = 0 напряжение σ и его градиент изменения становятся бесконечно велики, что физически не оправдано. Ясно, что непосредственно перед фронтом трещины образуется область (зона I), в которой действующее напряжение σIу хотя и значительно, но имеет некоторые ко-

нечные значения.

Вэтой зоне протекают значительные пластические деформации,

ив конечном счете в ней подготавливается и реализуется развитие

трещины. Точное определение σIу практически невозможно, а большие пластические деформации, при которых, естественно, не соблюдается

49

закон Гука, не позволяют использовать аппарат линейной механики. По этой причине, когда используют асимптотические формулы, необходимо исключить из рассмотрения эту пластическую зону І, находящуюся непосредственно перед кончиком трещины. Соседняя, заштрихованная зона ІІ, где деформации малы и соблюдается закон Гука, может рассматриваться как область линейной механики. Напряжение σIIy

уже может быть определено с помощью асимптотических формул, но для этого необходимо, чтобы расстояние х от конца трещины было достаточно мало, чтобы иметь право в выражении (2.23) пренебречь суммой А и работать в рамках формулы (2.22). Это, естественно требует, чтобы пластическая зона І была мала, что означает, что разрушение должно быть хрупким. Принято, что асимптотические формулы могут быть использованы в зоне ІІ до размера пластической зоны І, равного 20 % от длины трещины A. Следующая зона ІІІ является областью,

в которой действуют номинальные (брутто) напряжения, т.е. σIIIу = σ.

Рис. 2.19. Характерные зоны перед вершиной трещины

Коэффициент интенсивности напряжений K является функцией приложенного номинального напряжения σ, геометрии трещины, формы и размеров тела и не зависит от кординат точки в зоне перед фрон-

50