Описание процессов разрушений в твёрдых телах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

По предмету «Введение в специальность» на тему

«Описание процессов разрушений в твердых телах»

Студент: Бондарь П.С.

Размещено на Allbest.ru

Москва 2013

Ключевые слова в заданной теме:

· Твёрдое тело - это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

· Деформация - изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга.

Описание процессов разрушений в твёрдых телах

Под разрушением понимают разделение твердого тела или отдельных его структурных элементов на части с образованием одной или множества новых поверхностей. Разрушение также является предельным состоянием материала под нагрузкой. По характеру деформирования материала в процессе разрушения сами разрушения разделяют на хрупкие и вязкие.

Размещено на Allbest.ru

Хрупкое разрушение

твердое тело агрегатное

Под хрупким разрушением (ХР) твердых тел понимают наступающее при соответствующих условиях необратимое нарушение сплошности вследствие распространения в теле макроскопических трещин, приводящего к тому, что тело распадается на части, причем образовавшиеся после разрушения части можно сложить так, чтобы составленное из них тело совпадало с исходным.

Благодаря отсутствию заметных остаточных деформаций, которые обусловлены свойствами пластичности или вязкости, тела, разрушившиеся путем ХР, в принципе, можно склеивать. Примером ХР может служить треснувшее стекло. Многие металлические конструкции при возникновении и распространении в них макротрещин разрушаются по хрупкому типу, однако на берегах трещин - в приповерхностном слое малой толщины возникают пластические деформации (т. н. квазихрупкое разрушение).

Существующие теории хрупкого и квазихрупкого разрушения основаны на результатах классической теории упругости с малыми деформациями. При рассмотрении вопроса о распространении трещин, приводящих к ХР, обычно не затрагивается проблема начального возникновения трещин; зарождение трещин тесно связано с дислокациями, которые имеются внутри тела.

При теоретическом анализе проблемы прочности и распространения сильных разрывов перемещений в твердых деформируемых телах за основу берут универсальное уравнение термодинамики, выражающее закон сохранения энергии для тела конечных размеров. В общем случае это уравнение имеет вид:

dE + dU = dA(e) + dQ(e) + dQ**, (1)

где Е - кинетическая энергия тела;

U - полная внутренняя энергия.

В правой части (1) - общий приток энергии извне за счет работы объемных и поверхностных макроскопических сил dA(e), общий внешний приток тепла dQ(e) и внешний макроскопический приток энергии dQ** за счет особых микроскопических механизмов: химического воздействия на поверхности тела, электромагнитного взаимодействия и т. д. Будем также считать (как в классической теории упругости с учетом тепловых эффектов), что полная внутренняя энергия тела представляется в виде:

При рассмотрении процесса хрупкого разрушения постоянная U0 учитывает эффекты, проявляющиеся при разрушении тела, и характеризует полную энергию сил сцепления. Данная энергия аналогична гравитационной энергии притягивающихся масс, однако U0 для реальных тел слабо зависит от глобальной геометрической формы тела. Это обусловлено тем, что внутренние силы сцепления имеют электромагнитную природу и являются короткодействующими. Между тем, именно эти силы и соответствующая им энергия обеспечивают крепость соединения частей тела - т. е. прочность материала. Вот почему при образовании разрывов необходимо учитывать изменение U0.

Итак, если принять для внутренней энергии определение (2), можно получить основное энергетическое уравнение в случае развития внутренних разрывов при ХР:

dE + dU1 + dU0 = dA(e) + dQ(e) + dQ**. (2)

Теперь включим две стороны dS1 и dS2 участка разрыва dS в общую границу тела, а поверхностные силы от внутренних сил напряжений, действующие на разных сторонах участка площади разрыва dS, во внешние поверхностные силы. После этого возникающие при развитии трещин механические перемещения (деформирование) в хрупком теле можно рассматривать в рамках обычной модели упругого тела, в которой принимается, что dU0 = dQ**= 0. Однако в уравнении энергии при этом необходимо учесть работу «новых» резко меняющихся внешних сил на вновь образующейся поверхности, включаемой в границу тела, т.е. на участках dS1 и dS2.

Величина представляет собой некоторый поток энергии в особых точках, совпадающих с краями трещины, возникающих за счет перемещения краев, в которых имеет место концентрация напряжений.

Техническая реализация

Некоторые варианты технической реализации процесса хрупкого разрушения:

1. Статическая нагрузка

2. Вибрационное разрушение

3. Динамическое разрушение сосредоточенной нагрузкой

Применение эффекта

Во всех случаях (за исключением специальных технологий - дробления, измельчения) любое разрушение материалов и конструкций приводит к негативным последствиям. Хрупкое разрушение проявляется внезапно и развивается лавинообразно, неуправляемо.

Критические значения напряжений, соответствующих разрушающим деформациям, для конструкционных материалов, проявляющих склонность к разрушению по хрупкому типу, устанавливают путем прочностных испытаний с учетом режимов нагружения, термодинамических условий и т. п.

Размещено на Allbest.ru

Вязкое разрушение

Вязким называют разрушение, сопровождающееся развитием заметных пластических деформаций. Такой характер разрушения наблюдается при высокой температуре, высоком внешнем давлении, некоторых видах сложного напряженного состояния, малоцикловой усталости. В любом случае разрушение не является мгновенным критическим событием. Разрушение - это процесс накопления повреждений, происходящий во времени и в пространстве. Заканчивается этот процесс потерей несущей способности из-за потери сплошности.

Площадь поперечного сечения с течением времени стремится к нулю. Фактически при очень больших деформациях равномерное растяжение становится неустойчивым и в каком-то из сечений образуется шейка.

Если напряжения превышают у0 (где у0 - уровень напряжений), то разрушение происходит вязкое. При напряжениях, меньших, чем у0, разрушение происходит хрупко.

Классическая гипотеза прочности Кулона причиной возникновения текучести и вязкого разрушения считает наибольшее касательно напряжение. Это положение впервые было сформулировано Ш. Кулоном в 1773 г. Условие предельного состояния текучести имеет вид:

у1 - у3 = уТ, (3)

где уТ - предел текучести материала при одноосном напряженном состоянии.

Для условия вязкого разрушения при больших деформациях в правой части критерия (3) принимают напряжение в момент разрыва при одноосном растяжении. Недостатком критерия (3) является неучет главного напряжения.

В классической гипотезе И. Максвелла (1856 г.) - Р. Мизеса (1913 г.) причиной текучести или объемного вязкого разрушения в окрестности рассматриваемой точки считает энергию изменения формы.

Условия применимы только для чистых металлов (железа, меди, свинца, алюминия, никеля) и некоторых малоуглеродистых мягких сталей. Поскольку эти условия нашли широкое применение в теории пластичности, то эти гипотезы носят название гипотез пластичности.

Классические гипотезы пластичности имеют два существенных недостатка. Во-первых, они не учитывают разного сопротивления одноосному растяжению и сжатию, о чем свидетельствуют многочисленные опытные данные зарубежных и российских ученых. Во-вторых, они не учитывают влияние шарового тензора, в то время как опыты показывают, что предельное сопротивление зависит от вида напряженного состояния, а гидростатическое давление способствует повышению прочности и пластичности твердых тел.

Применение эффекта

В настоящее время является общепризнанной точка зрения, что разрушение тела не есть мгновенный акт, а представляет собой процесс, подготавливающийся с самого начала нагружения тела за счет накопления в последнем повреждений. Особенно отчетливо это проявляется в условиях напряжений, переменных во времени по величине, а тем более по знаку; в условиях высокотемпературной ползучести и пластического деформирования. Завершающему акту разрушения - разделению тела на части - предшествует период накопления всевозможных повреждений - дефектов. Этот период работы материала можно образно назвать «инкубационным».

Один и тот же материал при разных условиях (температура, давление, скорость нагружения, вид напряженного состояния и т.д.) может разрушаться в одних случаях хрупко, а в других - вязко. Поэтому хрупкость и пластичность - это не свойства материала, а состояние. Существующее в инженерной терминологии разделение конструкционных материалов на хрупкие и пластичные является условным и в первую очередь отражает механические свойства этих материалов при небольших скоростях нагружения в нормальных условиях (при атмосферном давлении и комнатной температуре).

Размещено на Allbest.ru

Реализации эффекта

Наиболее известным типом пластического разрушения является разрушение при перегрузке растягивающими силами. В особо чистых металлах, в которых практически отсутствуют частицы второго рода, пластические деформации на парных плоскостях скольжения могут продолжаться до тех пор, пока образование шейки не приведет к тому, что площадь сечения в узком месте станет равной нулю. Геометрически такое разрушение характеризуется последовательными деформациями сдвига.

В конечном счете, разрушение порождается гораздо более мелкими частицами - менее микрона. Поскольку эти частицы не могут деформироваться так же легко, как кристаллическая решетка, то при возникновении в их окрестности обширной пластической зоны они теряют сцепление с кристаллической решеткой. Таким образом, образуются микроскопические пустоты, которые растут за счет скольжения: в материале между пустотами образуется шейка, при этом площадь сечения в этом месте уменьшается. Этот процесс образования шейки происходит в микроскопическом масштабе, и получающееся в результате удлинение невелико.

В противоположность разрушению сколом, при котором для отделения достаточно приложить растягивающие напряжения, вязкое разрушение не может произойти без пластической деформации. Механизм окончательного отделения представляет собой последовательность передвижений дислокаций и перемещений скольжения, необходимых для роста и слияния пустот.

Литература

1. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1973. Т.2.

2. Белкин П.Н. Механические свойства, прочность и разрушение твердых тел. Кострома: КГУ. 2005.

3. Потапова Л.Б., Ярцев В.П. Механика материалов при сложном напряженном состоянии. М.: Машиностроение, 2005.

4. Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов «Эффективная физика» http://www.ligis.ru/effects/science/156/index.htm.

5. Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/611/index.html.

Размещено на Allbest.ru