www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Хрупкое разрушение конструкций, изготовленных из таких материалов, которые в обычных условиях обнаруживают достаточную пластичность, стало одной из центральных проблем механики и физики прочности. Число публикаций по этим вопросам за последние годы непрерывно растет. Это объясняется тем, что традиционные подходы к оценке прочности крупногабаритных изделий с использованием данных, полученных на небольших лабораторных образцах, оказываются недостаточными.

В конце сороковых годов американскими главным образом учеными были заложены основы теории, получившей позже название линейной механики разрушения. В основе этой теории лежит концепция Гриффитса, соответствующим образом модернизированная и уточненная. Для приложения этой теории существенно, чтобы размеры пластической зоны у конца трещины были малы по сравнению и с характерным размером изделия и длиной трещины. При этом условии напряженное состояние описывается с помощью решений линейной теории упругости, причем сопротивление распространению трещины оценивается одной единственной константой Кc или КIc при плоской деформации. Эту константу определяют из прямого эксперимента, а необходимости в более точном рассмотрении того, что в действительности происходит у конца трещины, при этом нет.

Состояние вопроса к 1964 г. нашло достаточно полное отражение в сборнике докладов американского симпозиума, выпущенном для советского читателя под названием «Прикладные вопросы вязкости разрушения» (изд-во «Мир», Москва, 1968 г,). Предисловие покойного профессора Я. Б. Фридмана к этому сборнику очень ясно излагает существо дела и дает критическую оценку всего направления с учетом результатов отечественных работ.

Прочностной критерий Кc не столь уж постоянен, как это предполагалось, а для его надежного определения приходится принимать ряд мер предосторожности. Усилия многочисленных лабораторий, главным образом в США, были направлены на создание методик определения критерия КIc , обеспечивающих получение достоверных и воспроизводимых результатов. Сопротивление распространению трещины КIc , или «вязкость разрушения» (этот термин получил широкое распространение, хотя он мало удачен, так как и без того «вязкость» имеет слишком много значений), действительно служит объективной характеристикой склонности материала к хрупкому разрушению и во всяком случае полезно в качестве сравнительной оценки. Но этим отнюдь не исчерпывается роль линейной механики разрушения. Зная сопротивление распространению трещины и располагая решением соответствующей задачи теории упругости — а запастаких решений непрерывно пополняется — можно предсказать действительную несущую способность изделия с трещиной или трещиноподобным дефектом и отделить недопустимые дефекты от допустимых.

Работа по стандартизации методов определения критерия КIc была продолжена рядом британских лабораторий, результатом чего явился проект британского стандарта, который предполагается утвердить как стандарт уже в 1972 г. Этот проект в его последней редакции содержится в недавно вышедшей книге Дж. Сроули и У. Брауна «Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации» (изд-во «Мир», Москва, 1972 г.), посвященной как раз практическим аспектам применения линейной механики разрушения.

Настоящий сборник составлен по материалам двух совещаний, состоявшихся в Англии почти одновременно весной 1969 г.

В Брайтоне происходила Вторая международная конференция по разрушению (13—18 апреля). Первая была созвана в 1965 г. в Японии по инициативе проф. Ёкобори, крупного ученого в области механики и физики прочности и горячего сторонника и пропагандиста объединения усилий представителей разных наук для решения проблем прочности в широком аспекте. Вторая конференция отличалась от первой подчеркнутой практической направленностью. Ее председателем был известный английский специалист Николc, возглавляющий большие работы, которые ведутся Управлением атомной энергетики Соединенного Королевства в связи с прочностью реакторов.

Другое совещание — это Национальный симпозиум по прочности сварных конструкций в Калчете (29 и 30 апреля).

Из 19 помещенных в настоящем сборнике докладов 11 были сообщены в Брайтоне, а 8 — в Калчете. Эти доклады сгруппированы по тематическому принципу в трех частях:
I. Новые исследования в области механики разрушения. II. Оценка прочности конструкционных элементов с учетом механики разрушения. III. Сопротивление разрушению сварных конструкций.

Первая и наиболее интересная в принципиальном отношении часть, открываемая обзором Николса, связана с распространением механики разрушения на материалы с относительно низким пределом текучести и высоким критерием КIc К данной категории материалов относятся очень многие конструкционные стали. Характерный размер пластической зоны у конца трещины равен ( КIc0,2)2. Для применимости линейной механики разрушения нужно, чтобы именно этот размер был мал по сравнению с длиной трещины, толщиной изделия и расстоянием от конца трещины до поверхности изделия. Поэтому при экспериментальном определении КIc образец должен иметь достаточно большие размеры. Изготовить и испытать образцы требующихся размеров часто оказывается просто невозможно из-за их слишком крупных размеров. С другой стороны, использование линейной механики разрушения для оценки несущей способности изделия становится некорректным, поскольку пренебрежение протяженностью пластической зоны приводит к недопустимым ошибкам.

Таким образом, речь идет о заполнении пробела между двумя крайними случаями исчерпания несущей способности изделия — от распространения трещины в соответствии с законами линейной механики разрушения, с одной стороны, до наступления общего течения, с другой. Этот промежуток довольно широк и охватывает многие задачи, с которыми конструктор сталкивается на практике.

Профессор Белфастского университета Уэллс выдвинул в 1963 г. новую концепцию критического раскрытия трещины (КРТ), которая была немедленно подхвачена рядом британских лабораторий. Конец очень острой (например, усталостной) трещины вследствие пластического течения в примыкающем к нему объеме затупляется, а берега трещины перемещаются, оставаясь параллельными. Когда расстояние между берегами, «раскрытие трещины» (РТ), достигает критического значения бс, материал у конца трещины разрушается и трещина распространяется дальше. Это критическое раскрытие бс предлагается считать константой материала, характеризующей его склонность к хрупкому (в условном смысле слова) разрушению. По существу дело сводится к следующему. У конца трещины развиваются большие пластические деформации, соответствующая упруго-пластическая задача перестает быть геометрически линейной, граничные условия должны удовлетворяться на деформированной поверхности, вследствие чего сингулярности, свойственные упругим и пластическим полям в конце бесконечно узкого разреза, исчезают. Критерий бс есть, таким образом, интегральная характеристика пластической деформации, при которой нарушается сплошность.

Делая те или иные предположения о характере упруго-пластического состояния у конца трещины, можно критерий бс связать с работой продвижения трещины или, если угодно, пересчитать на эквивалентное значение КIc- Обычно для оценки используется модель Леонова — Панасюка— Дагдейла.

Надо отметить, что на разработку методов определения КРТ были брошены большие силы, причем английские специалисты связывают с этим определенные надежды. Соответствующие работы начаты и в других странах. Статьи первой части настоящего сборника дают представление об объеме и направленности ведущихся работ.

В двух других частях сборника содержатся материалы, относящиеся к применению методов механики разрушения, главным образом линейной, иногда с поправками на пластичность, для оценки прочности элементов конструкций и отражающие ценный опыт, накопленный за последние годы в Англии, Соединенных Штатах и Японии. Следует особо обратить внимание на то, что ряд докладов относится к конструкциям из материалов невысокой прочности — области, наименее благоприятной для линейной механики.

Отбирая материалы Второй международной конференции по разрушению к включению в настоящий сборник, составители преследовали цель более или менее полного освещения одного из интенсивно развивающихся в настоящее время направлений, которое, естественно, не исчерпывает всей проблемы прочности. Дальнейшего прогресса нужно ожидать на пути углубления физических представлений о механизме инициирования и распространения разрушения и построения на их основе механических моделей, допускающих аналитическую формулировку.

Ю. Н. Работнов

Назад, на страницу описания