Перелом

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Fracture»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( сентябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Вязкое разрушение образца, деформированного в осевом направлении

Разрушение - это разделение объекта или материала на две или более части под действием напряжения . Разрушение твердого тела обычно происходит из-за развития определенных поверхностей разрыва смещения внутри твердого тела. Если смещение развивается перпендикулярно поверхности смещения, оно называется нормальной трещиной при растяжении или просто трещиной ; если смещение развивается по касательной к поверхности смещения, оно называется трещиной сдвига , полосой скольжения или дислокацией . ^[1]

Хрупкие трещины возникают без видимой деформации перед разрушением; пластичные трещины возникают, когда видимая деформация действительно возникает до разделения. Прочность на излом или прочность на разрыв - это напряжение при разрушении или разрушении образца. Детальному пониманию того, как происходит разрушение материалов, может помочь изучение механики разрушения .

Сила [ править ]

Прочность на излом , также известная как прочность на разрыв , представляет собой напряжение, при котором образец разрушается из-за разрушения. ^[2] Это обычно определяется для данного образца с помощью испытания на растяжение , которое строит кривую зависимости напряжения от деформации (см. Изображение). Последняя зарегистрированная точка - это прочность на излом.

У пластичных материалов прочность на излом ниже, чем предел прочности при растяжении (UTS), тогда как у хрупких материалов прочность на излом эквивалентна UTS. ^[2] Если пластичный материал достигает предела прочности на растяжение в ситуации с контролируемой нагрузкой, ^{[Примечание 1]} он будет продолжать деформироваться без приложения дополнительной нагрузки, пока не разорвется. Однако, если нагрузка регулируется смещением, ^{[Примечание 2]} деформация материала может уменьшить нагрузку, предотвращая разрыв.

Типы [ править ]

Есть два типа переломов:

Хрупкий перелом [ править ]

При хрупком разрушении до разрушения не происходит явной пластической деформации . Хрупкое разрушение обычно связано с небольшим поглощением энергии и происходит на высоких скоростях - до 2133,6 м / с (7000 футов / с) в стали. ^[3] В большинстве случаев хрупкое разрушение будет продолжаться даже после прекращения нагружения. ^[4]

В хрупких кристаллических материалах разрушение может происходить в результате раскола в результате растягивающего напряжения, действующего перпендикулярно кристаллографическим плоскостям с низкой связью (плоскости спайности). В аморфных твердых телах , напротив, отсутствие кристаллической структуры приводит к раковинному разрушению , при котором трещины проходят перпендикулярно приложенному напряжению.

Теоретическая прочность кристаллического материала (примерно)

${\ Displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {теоретический}} = {\ sqrt {\ frac {E \ gamma} {r_ {o}}}}}$

куда: -

Поверхность хрупкого скола излома на растровом электронном микроскопе

${\ displaystyle E}$- модуль Юнга материала,

${\ displaystyle \ gamma}$- поверхностная энергия , а

${\ displaystyle r_ {o}}$ - равновесное расстояние между атомными центрами.

С другой стороны, трещина создает концентрацию напряжений, моделируемую

${\displaystyle \sigma _{\mathrm {elliptical\ crack} }=\sigma _{\mathrm {applied} }\left(1+2{\sqrt {\frac {a}{\rho }}}\right)=2\sigma _{\mathrm {applied} }{\sqrt {\frac {a}{\rho }}}}$ (Для острых трещин)

куда: -

${\displaystyle \sigma _{\mathrm {applied} }}$ напряжение нагрузки,

${\displaystyle a}$ составляет половину длины трещины, а

${\displaystyle \rho }$ - радиус кривизны в вершине трещины.

Соединяя эти два уравнения, мы получаем

${\displaystyle \sigma _{\mathrm {fracture} }={\sqrt {\frac {E\gamma \rho }{4ar_{o}}}}.}$

Присмотревшись, мы можем увидеть, что острые трещины (маленькие ) и большие дефекты (большие ) снижают прочность материала на излом.${\displaystyle \rho }$${\displaystyle a}$

Недавно ученые открыли сверхзвуковое разрушение , явление, при котором трещина распространяется быстрее скорости звука в материале. ^[5] Это явление недавно было подтверждено экспериментом по разрушению резиноподобных материалов.

Основная последовательность типичного хрупкого разрушения: появление дефекта до или после ввода материала в эксплуатацию, медленное и стабильное распространение трещины при повторяющейся нагрузке и внезапное быстрое разрушение, когда трещина достигает критической длины трещины на основе определенных условий. по механике разрушения. ^[4] Хрупкого разрушения можно избежать, управляя тремя основными факторами: вязкостью разрушения материала (K _c ), номинальным уровнем напряжения (σ) и размером дефекта (a). ^[3] Остаточные напряжения, температура, скорость нагружения и концентрации напряжений также способствуют хрупкому разрушению, влияя на три основных фактора. ^[3]

При определенных условиях пластичные материалы могут проявлять хрупкость. Условия быстрого нагружения, низких температур и трехосного напряжения могут привести к разрушению пластичных материалов без предварительной деформации. ^[3]

Пластичный перелом [ править ]

В пластичном разрушении , обширная пластическая деформация ( утонения ) происходит до перелома. Термины « разрыв» или « пластический разрыв» описывают окончательное разрушение пластичных материалов, нагруженных при растяжении. Высокая пластичность вызывает медленное распространение трещины из-за поглощения большого количества энергии перед разрушением. ^{[6] [7]}

Поскольку пластический разрыв связан с высокой степенью пластической деформации, характер разрушения распространяющейся трещины, моделируемый выше, кардинально меняется. Часть энергии от концентраций напряжений в вершинах трещин рассеивается за счет пластической деформации перед трещиной по мере ее распространения.

Основными этапами пластичного разрушения являются образование пустот, слияние пустот (также известное как образование трещин), распространение трещин и разрушение, часто приводящее к образованию поверхности разрушения чашеобразной формы. Пустоты обычно сливаются вокруг выделений, вторичных фаз, включений и на границах зерен в материале. Вязкое разрушение обычно является трансгранулярным, и деформация из-за дислокационного скольжения может вызвать срезание кромки, характерное для чашечного и конического перелома. ^[8]

Характеристики трещин [ править ]

То, как трещина распространяется в материале, дает представление о характере разрушения. При пластическом разрушении трещина движется медленно и сопровождается большой пластической деформацией вокруг вершины трещины. Пластичная трещина, как правило, не будет распространяться, если не будет приложено повышенное напряжение, и, как правило, перестает распространяться при снятии нагрузки. ^[4] В пластичном материале трещина может распространяться на участок материала, где напряжения немного ниже, и прекращаться из-за притупляющего эффекта пластических деформаций на вершине трещины. С другой стороны, при хрупком разрушении трещины распространяются очень быстро с небольшой пластической деформацией или без нее. Трещины, которые распространяются в хрупком материале, будут продолжать расти после возникновения.

Распространение трещины также классифицируется характеристиками трещины на микроскопическом уровне. Трещина, которая проходит через зерна в материале, подвергается трансгранулярному разрушению. Трещина, распространяющаяся по границам зерен, называется межзеренной трещиной. Как правило, связи между зернами материала при комнатной температуре сильнее, чем сам материал, поэтому вероятность трансгранулярного разрушения выше. Когда температура повышается достаточно, чтобы ослабить связи зерен, межкристаллитное разрушение является более распространенным видом разрушения. ^[4]

Испытание на излом [ править ]

Разрушение материалов изучается и количественно оценивается несколькими способами. Разрушение в значительной степени определяется вязкостью разрушения ( ), поэтому для определения этого часто проводят испытания на разрушение. Два наиболее широко используемых метода определения вязкости разрушения - это испытание на трехточечный изгиб и испытание на компактное растяжение . ${\textstyle \mathrm {K} _{\mathrm {c} }}$

Выполняя компактные испытания на растяжение и трехточечный изгиб, можно определить вязкость разрушения с помощью следующего уравнения:

${\displaystyle \mathrm {K_{c}} =\sigma _{\mathrm {F} }{\sqrt {\pi \mathrm {c} }}\mathrm {f\ (c/a)} }$

Где:-

${\displaystyle \mathrm {f\ (c/a)} }$ уравнение, полученное эмпирическим путем, для определения геометрии тестового образца

${\displaystyle \sigma _{\mathrm {F} }}$ напряжение разрушения, а

${\displaystyle \mathrm {c} }$ - длина трещины.

Чтобы получить точное значение, необходимо точно измерить значение. Это делается путем принятия испытываемого образца с его сфабрикованной выемкой длиной и заточкой этой метки , чтобы лучше эмулировать кончик трещины нашел в реальных материалах. ^[9] Циклическое предварительное напряжение образца может затем вызвать усталостную трещину, которая расширяет трещину от длины изготовленного надреза до . Это значение используется в приведенных выше уравнениях для определения . ^[10]${\textstyle \mathrm {K} _{\mathrm {c} }}$${\textstyle \mathrm {c} }$${\textstyle \mathrm {c\prime } }$${\textstyle \mathrm {c\prime } }$${\textstyle \mathrm {c} }$${\textstyle \mathrm {c} }$${\textstyle \mathrm {K} _{\mathrm {c} }}$

После этого испытания образец можно затем переориентировать так, чтобы дальнейшее нагружение нагрузки (F) расширило эту трещину и, таким образом, можно было получить кривую зависимости нагрузки от прогиба образца. С помощью этой кривой можно получить наклон линейного участка, который обратен податливости материала. Затем это используется для получения f (c / a), как определено выше в уравнении. Зная все эти переменные, можно рассчитать.${\textstyle \mathrm {K} _{\mathrm {c} }}$

Хрупкое разрушение керамики и неорганических стекол [ править ]

Керамика и неорганическое стекло имеют характеристики разрушения, которые отличаются от металлических материалов. Керамика обладает высокой прочностью и хорошо работает при высоких температурах, поскольку прочность материала не зависит от температуры. Керамика имеет низкую ударную вязкость, определяемую испытаниями под действием растягивающей нагрузки; часто керамика имеет значения, которые составляют ~ 5% от значений, найденных в металлах. ^[10]${\textstyle \mathrm {K} _{\mathrm {c} }}$Однако при повседневном использовании керамика обычно подвергается сжатию, поэтому прочность на сжатие часто называют прочностью; эта сила часто может превышать силу большинства металлов. Однако керамика хрупкая, и поэтому большая часть работы направлена ​​на предотвращение хрупкого разрушения. Из-за того, как керамика изготавливается и обрабатывается, в материале часто присутствуют уже существующие дефекты, которые вносят значительную вариативность в хрупкое разрушение по Режиму I. ^[10] Таким образом, при проектировании керамики следует учитывать вероятностный характер. Распределение Вейбулла предсказывает вероятность выживания части образцов определенного объема, которые выдерживают сигму растягивающего напряжения, и часто используется для более точной оценки успеха керамики в предотвращении разрушения.

Заметные неудачи переломов [ править ]

Отказы, вызванные хрупким разрушением, не ограничиваются какой-либо конкретной категорией инженерных конструкций. ^[3] Хотя хрупкое разрушение встречается реже, чем другие типы повреждений, последствия для жизни и имущества могут быть более серьезными. ^[3] Следующие известные исторические отказы были связаны с хрупким разрушением:

• Сосуды под давлением: Великий наводнение патоки в 1919 г. ^[3] Разрушение резервуара для патоки в Нью-Джерси в 1973 г. ^[4]
• Мосты: обрушение пролета моста на Кинг-стрит в 1962 г., обрушение Серебряного моста в 1967 г. ^[3] частичное обрушение моста Хоан в 2000 г.
• Корабли: « Титаник» в 1912 году, ^[4] корабли «Либерти» во время Второй мировой войны, ^[3] SS Schenectady в 1943 году ^[4]

См. Также [ править ]

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Дитер, GE (1988) ISBN по механической металлургии 0-07-100406-8 
• А. Гарсимартин, А. Гуарино, Л. Беллон и С. Сильберто (1997) "Статистические свойства предшественников разрушения". Physical Review Letters, 79, 3202 (1997).
• Каллистер-младший, Уильям Д. (2002) Материаловедение и инженерия: Введение. ISBN 0-471-13576-3 
• Питер Рис Льюис, Колин Гагг, Кен Рейнольдс, CRC Press (2004), Криминалистическая инженерия материалов: примеры из практики .

Внешние ссылки [ править ]

• Виртуальный музей неисправных продуктов на http://materials.open.ac.uk/mem/index.html
• Разрушение и реконструкция глиняной чаши
• Вязкое разрушение