Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Rupture (инженерное дело) )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о науке о переломах. Для прогнозирования трещин см. Механику разрушения . Информацию о переломах костей см. В разделе « Переломы костей» . Для использования в других целях, см Перелом (значения) .

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 ]

"Слабая нагрузка" перенаправляется сюда. Короткий рассказ Артура Кларка см. В разделе « Прерывание напряжения» . Для романа Пола Прейсса см. Венера Прайм .
Кривая зависимости напряжения от деформации, типичная для алюминия
1. Предел прочности на разрыв
2. Предел текучести
3. Пропорциональное предельное напряжение
4. Разрушение
5. Деформация смещения (обычно 0,2%)

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 при испытании на растяжение , при котором строится кривая зависимости напряжения от деформации (см. Изображение). Последней записанной точкой является прочность на излом.

У пластичных материалов прочность на излом ниже, чем предел прочности при растяжении (UTS), тогда как в хрупких материалах 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 до тех пор, пока не разорвется. Однако, если нагрузка регулируется смещением, [Примечание 2] деформация материала может уменьшить нагрузку, предотвращая разрыв.

Статистика разрушения случайных материалов имеет очень интригующее поведение и была замечена архитекторами и инженерами довольно рано. Действительно, исследования разрушения или разрушения могут быть старейшими физическими науками, которые до сих пор остаются интригующими и живыми. Леонардо да Винчи более 500 лет назад заметил, что прочность на разрыв номинально идентичных образцов железной проволоки уменьшается с увеличением длины проволоки (см., Например, [3] для недавнего обсуждения). Подобные наблюдения были сделаны Галилео Галилеем более 400 лет назад. Это проявление экстремальной статистики отказов (больший объем образца может иметь большие дефекты из-за кумулятивных колебаний, когда отказы зарождаются и вызывают более низкую прочность образца).[4]


Типы [ править ]

Есть два типа переломов:

Хрупкий перелом [ править ]

Хрупкое разрушение стекла
Разрушение алюминиевого шатуна велосипеда, где Яркий = хрупкий перелом, Темный = усталостный перелом.

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. [5] В большинстве случаев хрупкое разрушение будет продолжаться даже после прекращения нагружения. [6]

В хрупких кристаллических материалах разрушение может происходить из-за 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.

Прочность на излом (или зарождение микротрещин) материала была впервые теоретически оценена Аланом Арнольдом Гриффитом в 1921 году:

где: -

Поверхность хрупкого скола излома на растровом электронном микроскопе
- модуль Юнга материала,
- поверхностная энергия , а
- длина микротрещины (или равновесное расстояние между центрами атомов в кристаллическом твердом теле).

С другой стороны, трещина создает концентрацию напряжений, моделируемую

(Для острых трещин)

где: -

напряжение нагрузки,
составляет половину длины трещины, а
- радиус кривизны в вершине трещины.

Соединяя эти два уравнения вместе, получаем

Присмотревшись, можно увидеть, что острые трещины (маленькие ) и большие дефекты (большие ) снижают прочность материала на излом.

Недавно ученые открыли сверхзвуковое разрушение , явление, при котором трещина распространяется быстрее скорости звука в материале. [7] Это явление было недавно 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. [6] Хрупкого разрушения можно избежать, управляя тремя основными факторами: вязкостью разрушения материала (K c ), номинальным уровнем напряжения (σ) и размером дефекта (a). [5] Остаточные напряжения, температура, скорость нагружения и концентрации напряжений также способствуют хрупкому разрушению, влияя на три основных фактора. [5]

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. [5]

Вязкое разрушение [ править ]

Схематическое изображение стадий пластического разрушения (при чистом растяжении)

В пластичном разрушении , обширная пластическая деформация ( утонения ) происходит до перелома. Термины « разрыв» или « пластический разрыв» описывают окончательное разрушение пластичных материалов, подвергающихся растяжению. Высокая пластичность приводит к медленному распространению трещины из-за поглощения большого количества энергии перед разрушением. [8] [9]

Поверхность вязкого излома алюминия 6061-Т6

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

Основными этапами пластического разрушения являются образование пустот, слияние пустот (также известное как образование трещин), распространение трещин и разрушение, часто приводящее к поверхности разрушения в форме чаши и конуса. 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. [10]

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. [6] В пластичном материале трещина может распространяться на участок материала, где напряжения немного ниже, и прекращаться из-за эффекта притупления 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 того, как возникнут.

Распространение трещины также классифицируется по характеристикам трещины на микроскопическом уровне. Трещина, которая проходит через зерна в материале, подвергается трансгранулярному разрушению. Трещина, распространяющаяся по границам зерен, называется межзеренной трещиной. Обычно связи между зернами материала при комнатной температуре сильнее, чем сам материал, поэтому вероятность трансгранулярного разрушения выше. Когда температура повышается достаточно, чтобы ослабить связи зерен, межкристаллитный разрыв является более распространенным типом разрушения. [6]

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. Двумя наиболее широко используемыми методами определения вязкости разрушения являются испытание на трехточечный изгиб и испытание на компактное растяжение .

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

Где:-

уравнение, полученное эмпирическим путем для определения геометрии тестового образца
- напряжение разрушения, а
- 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. [11] Циклическое предварительное напряжение образца может затем вызвать усталостную трещину, которая расширяет трещину от изготовленного надреза на длину до . Это значение используется в приведенных выше уравнениях для определения . [12]

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 является обратным податливости материала. Затем это используется для получения f (c / a), как определено выше в уравнении. Зная все эти переменные, можно рассчитать.

Несоблюдение конкретных материалов [ править ]

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. [12]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 высокую степень вариабельности в хрупкое разрушение по моде I. [12] 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 лучшей оценки успешности керамики в предотвращении разрушения.

Пучки волокон [ править ]

Для моделирования разрушения пучка волокон Томас Пирс в 1926 году представил модель пучка волокон в качестве модели для понимания прочности композитных материалов. [13]Пучок состоит из большого количества параллельных пружин Гука одинаковой длины, каждая из которых имеет одинаковую жесткость пружины. Однако они имеют разные разрушающие нагрузки. Все эти пружины подвешены к жесткой горизонтальной платформе. Груз прикреплен к горизонтальной платформе, присоединенной к нижним концам рессор. Когда эта нижняя платформа абсолютно жесткая, нагрузка в любой момент времени распределяется поровну (независимо от того, сколько волокон или пружин сломано и где) на все уцелевшие волокна. Этот режим распределения нагрузки называется режимом равного распределения нагрузки. Также можно предположить, что нижняя платформа имеет конечную жесткость, так что локальная деформация платформы возникает там, где пружины выходят из строя, и уцелевшие соседние волокна должны разделять большую часть той, которая передается из поврежденного волокна.Крайний случай - это модель локального распределения нагрузки, в которой нагрузка вышедшей из строя пружины или волокна распределяется (обычно поровну) на уцелевшие ближайшие соседние волокна.[4]

Заметные неудачи переломов [ править ]

Отказы, вызванные хрупким разрушением, не ограничиваются какой-либо конкретной категорией инженерных конструкций. [5] Хотя хрупкое разрушение встречается реже, чем другие виды отказов, воздействие на жизнь и имущество может быть более серьезным. [5] Следующие известные исторические отказы были приписаны хрупкому разрушению:

  • Сосуды под давлением: Великий наводнение патоки в 1919 г. [5] Разрушение резервуара для патоки в Нью-Джерси в 1973 г. [6]
  • Мосты: обрушение пролета моста на Кинг-стрит в 1962 г., обрушение Серебряного моста в 1967 г. [5] частичное обрушение моста Хоан в 2000 г.
  • Корабли: « Титаник» в 1912 году, [6] корабли «Либерти» во время Второй мировой войны, [5] SS Schenectady в 1943 году [6]

См. Также [ править ]

  • Экологический стресс-перелом
  • Усталость (материал)
  • Судебная инженерия
  • Криминалистическая материаловедение
  • Фрактография
  • Трещина (геология)
  • Разрушение (минералогия)
  • Мозаика Гилберта
  • Коалесценция микропустот
  • Notch

Заметки [ править ]

  1. ^ Простая ситуация с контролируемой нагрузкой на растяжение - поддержать образец сверху и подвесить груз за нижний конец. В этом случае нагрузка на образец не зависит от его деформации.
  2. ^ Простая ситуация с контролируемым смещением на растяжение - это прикрепить очень жесткий домкрат к концам образца. Когда домкрат выдвигается, он контролирует перемещение образца; нагрузка на образец зависит от деформации.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения.
  2. ^ а б Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, стр. 32, ISBN 0-471-65653-4.
  3. ^ Лунд, младший; Брюн, JP, Civil. Англ. и Env. Syst. 18 (2000) 243
  4. ^ a b Чакрабарти, Бикас К. (декабрь 2017 г.). «История достижений в статистической физике разрушения, разрушения и землетрясений: личный кабинет» . Доклады о достижениях физических наук . 01 (04): 1750013. дои : 10,1142 / S242494241750013X . ISSN 2424-9424 . Проверено 17 марта 2021 года .  Текст был скопирован из этого источника, доступного по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
  5. ^ a b c d e f g h я Рольф, Джон М. Барсом, Стэнли Т. (1999). Контроль разрушения и усталости конструкций: приложения механики разрушения (3-е изд.). Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM. ISBN 0803120826.
  6. ^ a b c d e f g Кэмпбелл, под редакцией FC (2012). Усталость и переломы: понимание основ . Парк материалов, Огайо: ASM International. ISBN 978-1615039760.CS1 maint: extra text: authors list (link)
  7. ^ CH Chen; HP Zhang; Дж. Немчура; К. Рави-Чандар; М. Мардер (ноябрь 2011 г.). «Масштабирование распространения трещин в резиновых листах». Письма еврофизики . 96 (3): 36009. Bibcode : 2011EL ..... 9636009C . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 96/36009 .
  8. ^ Перес, Нестор (2016). Механика разрушения (2-е изд.). Springer. ISBN 978-3319249971.
  9. ^ Каллистер, Уильям Д. младший (2018). Материаловедение и инженерия: введение (8-е изд.). С. 236–237. ISBN 978-1-119-40539-9. OCLC  992798630 .
  10. ^ Askeland, Donald R. (январь 2015). Материаловедение и инженерия материалов . Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. С. 236–237. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC  903959750 .
  11. ^ EFM - концентрация напряжений в вырезы более пристальный взгляд
  12. ^ a b c Кортни, Томас Х. (2000), Механическое поведение материалов (3-е изд.), McGraw Hill, ISBN 1-57766-425-6.
  13. ^ Пирс, FT, J. Текстильная промышленность. 17 (1926) 355

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дитер, GE (1988) ISBN по механической металлургии 0-07-100406-8 
  • А. Гарсимартин, А. Гуарино, Л. Беллон и С. Силберто (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: тематические исследования .

Внешние ссылки [ править ]

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