Подходы оценки прочности материалов

МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ В ВОПРОСАХ, ОТВЕТАХ И ЗАДАЧАХ

Что изучает механика разрушения, и какие существуют масштабные уровни изучения этого предмета?

Механика разрушения представляет собой инженерную дисциплину, которая рассматривает последствия наличия трещиноподобных дефектов (как на микро, так и на макроуровне) с точки зрения конструкционной целостности. Она базируется на допущении, что трещины или трещиноподобные дефекты либо присутствуют изначально, либо могут возникнуть в процессе эксплуатации.

Разрушение является сложным процессом деформации, при которой материал физически разделяется на части, а способность конструкции нести нагрузку снижается до нуля. Разрушение может происходить на разных масштабных уровнях в зависимости от размеров области разрушения; например, рассматривая элемент металлической конструкции, можно выделить следующие уровни (табл. 1.1.)

Таблица 1.1 Уровни изучения трещин в твердых телах

Уровень	Размеры	Механизм разрушения
Субмикроскопический	Порядка атомных размеров ( 5∙10-4 мкм)	Нарушение атомных связей, приводящее к созданию новой поверхности раздела
Микроскопический	Порядка размера зерна (≈2мкм)	Прохождение микротрещины по телу зерен или по их границам в материале
Макроскопический	Того же порядка, что и надрез (≈2∙10-3)	Движение трещины из области концентрации напряжений внутрь объема материала

Конечная задача механики разрушения состоит в предотвращении разрушения конструкции на основе знания закономерностей распространения магистральной трещины.

    Ввиду отсутствия единой теории процесса разрушения изучают различные закономерности этого явления на разных масштабных уровнях. В пределах каждой масштабной области разрушение изучают в соответствии с моделью, адекватно отражающей строение материала и учитывающей граничные условия со стороны как левых, так и правых соседних (по масштабной шкале) областей.

Различают микро-, мезо- и макроуровень разрушения

========================================================

Каковы цель и задачи механики разрушения?

Цель механики разрушения

● создание теории процессов деформации и разрушения твёрдых тел с учётом дефектности структуры и воздействия рабочей среды;

● разработка физически обоснованных критериев оценки прочности материала в конструкции с учётом наличия в ней дефектов типа трещин;

● определения путей формирования материалов и конструкций высокой прочности и долговечности.

Задачи механики разрушения

Инженерная задача: а – кривая роста трещины; б – кривая остаточной прочности

Механика разрушения должна ответить на следующие вопросы:

    1. Какова зависимость прочности от размера трещины?

    2. Какой размер трещины может быть допустим при ожидаемых эксплуатационных нагрузках, т. е. каков критический размер трещины?

    3. Как долго будет продолжаться рост трещины от определённого начального размера до критического размера?

    4. Какой размер раковин допустим в начальный момент эксплуатации конструкции?

    5. Как часто следует проверять наличие трещин в конструкции?

=========================================================

Классическая и неклассическая схемы разрушения

Классический (а)                                Неклассический (б)

подходы оценки прочности материалов

Классический подход для оценки прочности материалов и конструкций исходит из того, что расчётной моделью реального твёрдого тела служит сплошная среда с определенными реологическими свойствами, а элемент деформируемого тела находится в одном из таких состояний: сплошном (С — состояние) или разрушенном (Р — состояние). Переход элемента материала из состояния С в состояние Р — процесс разрушения — осуществляется мгновенно.

Основная идея неклассического подхода (механики разрушения материалов) сводится к следующему. Считается, что переход элемента деформируемого тела из состояния С в состояние Р сопровождается промежуточным состоянием П (предразрушения), которое необходимо учитывать при решении задачи о прочности тела с дефектами типа трещин.

Неклассическая схема разрушения предусматривает учёт состояний П около остроконечных дефектов в деформируемом теле (в первую очередь типа трещин) — концентраторов напряжений, радиус закругления которых соизмерим с характерным линейным размером структурного элемента материала. Следовательно, при оценке прочности твёрдого тела необходимо учитывать его локальные физико-механические свойства, такие как способность сопротивляться распространению трещин— трещиностойкость.

========================================================