Разрушение твёрдых тел — это процесс утраты целостности материала вследствие действия внешних или внутренних напряжений. В кристаллических телах разрушение может быть результатом накопления дефектов, образования трещин и их последующего распространения. В зависимости от характера материала, условий нагружения и присутствующих дефектов разрушение может происходить по разным механизмам: хрупкому, вязкому, усталостному, коррозионному и комбинированным.
Хрупкое разрушение характеризуется практически мгновенным разрывом материала без предварительной пластической деформации. В таких случаях разрушение происходит за счёт распространения микротрещин, часто вдоль кристаллографических плоскостей, и сопровождается минимальной диссипацией энергии.
Особенности хрупкого разрушения:
Основной причиной является достижение критического напряжения на концах трещины. Критерий Гриффитса определяет условие хрупкого разрушения с точки зрения энергетического баланса.
Критерий Гриффитса:
$$ \sigma_c = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}} $$
где σc — критическое напряжение, E — модуль Юнга, γ — поверхностная энергия, a — полудлина трещины.
Таким образом, даже при сравнительно небольших внешних напряжениях разрушение может произойти, если в материале присутствует достаточно длинная трещина.
Вязкое разрушение сопровождается значительной пластической деформацией перед окончательным разрывом. Оно характерно для металлов и полимеров при комнатных и повышенных температурах.
Признаки вязкого разрушения:
Для оценки сопротивления вязкому разрушению применяется механика разрушения с учётом пластичности, основанная на концепции показателя вязкости разрушения KIC, который описывает сопротивление материала росту трещины при наличии пластической деформации.
Критерий устойчивости к разрушению:
KI < KIC
где KI — коэффициент интенсивности напряжений, KIC — критическое значение для конкретного материала.
Вязкое разрушение может происходить как по квазистатическим, так и по динамическим режимам в зависимости от скорости нагружения.
Трещина — это область утраты связности материала, являющаяся источником концентрации напряжений. Она может быть инициирована как внешними нагрузками, так и внутренними дефектами (пустотами, включениями, границами зёрен и т.д.).
Этапы эволюции трещины:
Форма и ориентация трещины играют важную роль: трещины, ориентированные перпендикулярно к направлению действия главного напряжения, опаснее всего.
При наличии трещины напряжённое состояние становится неравномерным, и вблизи вершины трещины возникает концентрация напряжений. Это означает, что локальное напряжение многократно превышает среднее.
Интенсивность напряжений описывается через коэффициент KI (Mode I — раскрытие трещины), который зависит от формы трещины, размеров образца и характера нагружения.
Для остроугольных трещин:
$$ K_I = \sigma \sqrt{\pi a} \cdot Y $$
где σ — номинальное напряжение, a — полудлина трещины, Y — геометрический коэффициент.
При многократном циклическом нагружении прочность материала снижается. Усталость приводит к зарождению и постепенному росту трещин, даже при напряжениях, значительно меньших предела прочности.
Характерные особенности усталости:
Диаграмма Вёлера (S − N кривая) описывает зависимость числа циклов до разрушения от уровня напряжения.
В присутствии агрессивных сред возможно коррозионное растрескивание или стресс-коррозия, при котором разрушение происходит в результате сочетания механических напряжений и химического воздействия.
Механизм:
Это явление особенно опасно в конструкциях, работающих в морской, кислотной или щелочной среде при наличии постоянных нагрузок.
Резкие температурные градиенты вызывают термические напряжения, которые могут стать причиной разрушения. Особенно это важно для керамик и стекла, обладающих высокой хрупкостью и низкой теплопроводностью.
Причины терморастрескивания:
Для снижения риска терморастрескивания применяют термостабилизацию, улучшение теплопроводности, создание градиентных или композитных структур.
Наличие дефектов (вакансий, включений, границ зёрен, пор) значительно снижает прочность материалов. Особенно критичны объёмные и плоские дефекты, являющиеся естественными концентраторами напряжений.
Типичные дефекты:
При нагружении именно вблизи таких участков начинается инициация микротрещин.
Линейная механика разрушения применима в случаях, когда область пластической деформации мала по сравнению с размерами тела. В этом случае используется параметр KI, а анализ основан на уравнениях упругости.
Нелинейная механика разрушения (или механика сдвигов) учитывает обширные пластические зоны и вводит параметры типа J-интеграла (интеграл Дж. Райса) или ΔK для усталостного роста трещины.
$$ J = \int_\Gamma \left( W dy - T \frac{\partial u}{\partial x} ds \right) $$
где W — плотность энергии деформации, T — вектор напряжения, u — перемещение, Γ — замкнутый контур вокруг трещины.
Этот подход особенно важен при анализе разрушения высокопрочных сталей, алюминиевых сплавов, композиционных материалов.
Оценка предельного состояния конструкций с трещинами требует использования методов механики разрушения:
Выбор методики зависит от характера трещины, материала, условий эксплуатации.
Для увеличения сопротивления разрушению применяются:
Рациональный выбор структуры, состава и обработки позволяет значительно повысить надёжность и долговечность твёрдотельных конструкций.