Общие сведения. Лабораторная работа

Лабораторная работа

РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Общие сведения

Вы никогда не оказывались вблизи огромного резервуара с сотнями тонн концентрированной серной кислотой, вдруг с ужасом замечая, что вся нависающая над Вами стенка резервуара покрыта сеткой трещин?

Это не такая уж неправдоподобная ситуация. В декабре 1977 года морозы достигали -44° С. В это время на Череповецком химзаводе произошла серьезная авария на производстве серной кислоты. Произошел разрыв стенки сушильной башни тол­щиной с образованием магистральной трещины длиной около 7 метров, и шириной от 3 до 5 мм.

10 января 1977 года поступило сообщение о крушении 85-метрового танкера "Честер Поллинг". После 20 лет эксплуатации он разломился надвое и затонул в Северной Атлантике. Судно попало в су­ровый зимний шторм. Высота волн превышала 10 метров.

В 1978 году обрушился мост в городе Туре, рухнув на пляж. Тросы лопнули в тот мо­мент, когда на мост въехал нагруженный двумя легковыми автомобилями и мотоциклом гру­зовик.

16 января 1985 года рано утром в городе Сюлли на реке Луаре обрушился подвесной мост.

Мосты, танкеры, океанские лайнеры, космические корабли - все эти конструкции, каза­лось бы, доскональнейшим образом просчитанные на функционирование в различных ситуа­циях, имеют тенденцию время от времени самопроизвольно разрушаться.

Причина этих внезапных разрушений, приводящих к катастрофам, - хрупкое разрушение металла. Оно происходит, когда материал конструкции является хрупким сам по себе или становится хрупким из-за внешних условий (например, низкая температура воздуха).

Разрушение – это процесс сложной внутренней перестройки металла под действием нагрузок. При этом происходит ослабление и разрыв межатомных связей. Если разрушение хрупкое, все предварительные процессы структурной перестройки скрыты от нас. Получается, что мы узнаем о давно идущем процессе разрушения в последний момент! При хрупком разрушении упругая деформация при нагружении достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи, и материал разделяется на части. Внутренние дефекты и образующиеся трещины чрезвычайно быстро распространяются до полного разрушения. Поверхность разрушения при этом неровная, зернистая. При хрупком разрушении невозможно визуально заметить какие-либо предварительные внешние признаки разрушения. Поэтому до начала 20 века считали, что разрушение происходит мгновенно. Сейчас же выражение “процесс разрушения” является устойчивым словосочетанием. Чтобы уметь предсказывать и предупреждать такие ситуации необходимо изучать процессы, которые происходят со структурой металла под различными нагрузками, и учитывать их при проектировании и эксплуатации конструкций. Появилась новая наука – механика разрушения.

На начальном этапе своего развития описание всех процессов зарождения и развития трещин осуществлялось, таким образом, как если бы трещины были прямыми отрезками и линиями. Такие трещины можно описывать асимптотическими уравнениями. Это была линейная механика разрушения. В ней рассматривалось исключительно хрупкое разрушение, происходящее при росте трещины без заметных пластических деформаций материала. Это послужило первым приближением к описанию разрушения.

Впоследствии было выяснено, что истинно хрупкое разрушение может происходить лишь в очень немногих случаях. В основном же, при росте трещины перед её кончиком всегда возникает так называемая пластичная зона. По своей структуре и свойствам пластическая зона напоминает металл в состоянии, близком к расплавленному. При наличии пластической деформации происходит вязкое разрушение. Оно наблюдается в пластичных материалах, когда пластическая деформация материала достигает такой величины, что он разделяется на две части. Разрушение происходит в результате процесса зарождения, слияния, и распространения внутренних пор.

Вязкое разрушение, в отличии от хрупкого, менее опасно, поскольку его начальные стадии бывают хорошо заметны визуально. Например, при вязком разрушении какого-либо сосуда под давлением, в нём появляются выпучины. Заметив их, мы можем остановить работу сосуда, не допуская его полного разрушения, которое может привести к катастрофе. Если же разрушение может произойти совершенно неожиданно для нас.

Было обнаружено, что зона перед кончиком развивающейся трещины имеет фрактальную разветвлённую структуру типа дерева. Фрактальность этой структуры объясняет, почему реальные трещины имеют извилистый разветвляющий характер. К таким трещинам уже неприменимы описание и формулы линейной механики разрушения.

Так возникла нелинейная механика разрушения – дисциплина, более адекватно описывающая процессы разрушения. Её возникновение было бы невозможно без новейших исследований поведения и свойств фрактальных структур, а также развития такой науки как синергетика. Синергетика изучает процессы эволюции и самоорганизации сложных систем. Основное преимущество заключается в том, что принципы, выработанные синергетикой, могут быть применимы к различным областям знания, и на её основе можно применять методологию междисциплинарного подхода.

Наиболее опасным является хрупкое разрушение, которое влияло на жизнь людей с самих истоков человеческого существования. Доисторический человек использовал хрупкое разрушение для придания формы каменным орудиям труда; он ощущал на себе его менее благотворные последствия в случае перелома конечностей. Добыча камня, придание ему формы, подгонка камней в строительных сооружениях, т. е. все существенные процессы древнего строительства, так же как и искусство ваяния, всецело зависят от умения управлять хрупким разрушением. И в наши дни многие процессы в промышленности и строительстве, например, обработка материалов, связаны на определенном этапе с хрупким разрушением.

Однако происхождение большинства исследований связано с менее благоприятными проявлениями хрупкого разрушения, главным образом с внезапным катастрофическим выходом из строя конструкций в результате неожиданного хрупкого разрушения их составных частей. История техники, начиная с середины девятнадцатого столетия и даже несколько более раннего времени, изобилует подобными примерами.

Эти события вызвали ряд отдельных исследований, которые доставили некоторые эмпирические сведения о «кристаллизации», «грануляции» и «усталости».

В зависимости от реальных условий эксплуатации – качества материала деталей конструкций, наличия поверхностных и внутренних дефектов, характера действующих напряжений – σ_экспл, вибраций, рабочей температуры детали могут разрушаться при напряжениях значительно меньших, чем предел их прочности σ_в (табл. 1).

Таблица 1

Дата добавления: 2015-08-13