Вся электронная библиотека >>>

 Строительные изделия >>>

 

Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия


Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

 

Микротрещинообразование с позиций молекулярно-кинетической теории и критерий Гриффитса

 

 

Долгое время считалось, что потеря сплошности материала наступает тогда, когда один из параметров, определяющий напряженное состояние деформируемого тела (например, нормальное или скалывающее напряжение), достигает предельного значения. В 70-е гг. XX в. появилась кинетическая концепция прочности твердых тел, согласно которой разрушение твердых тел происходит от разрывов связей между элементарными частицами того или иного материала.

При трехосном сжатии твердое тело разрушить нельзя. В этом случае происходят только сближение элементарных частиц и аллотропические изменения структуры тела. При одноосном сжатии ( 17) тело разрушается из-за разрыва внутренних связей в материале (образования трещин) при расширении материала в направлении, перпендикулярном к действию нагрузки.

Аналогичная картина разрушения тела наблюдается и при двухосном сжатии.

При возникновении в теле касательных напряжений (при сдвиге) разрушение его также происходит вследствие разрыва структурных связей в материале ( 17): смещение одного атома относительно другого может стать настолько большим, что взаимодействие между ними будет невозможным. При испытании образцов на срез разрушение их обусловлено совокупностью элементарных разрывов при сдвиге.

При изгибе разрушение тела может происходить: 1) от растягивающих напряжений, вызываемых изгибающим моментом; 2) от скалывающих напряжений по косым трещинам при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил.

 

Аллотропия - существование химического элемента в виде нескольких простых веществ.

 

Разрушение представляет собой необратимое разделение тела на части, связанное с нарушением сплошности среды. Процесс разрушения состоит из двух последовательно протекающих стадий: зарождение и рост трещины, которому способствует напряженное состояние тела, и полное разрушение.

 

 

Для того чтобы тело было разрушено, т. е. распалось на части, в каком-либо сечении должны быть разорваны все межатомные связи.

Приложение к твердому телу внешней нагрузки вызывает напряжение межатомных связей. Согласно кинетической концепции прочности процесс разрушения тел на уровне элементарных актов может быть разделен на три стадии:

•          возбуждение межатомных связей в нагруженном теле, ведущее к уменьшению энергетического барьера С/0 на величину уо;

•          разрыв напряженных связей за счет термических флюктуации;

•          накопление разорванных связей.

Гриффите впервые предположил, что различие между пределами прочности абсолютно хрупкого твердого тела и реального тела обусловлено наличием в последнем трещин. Вблизи многих из них создаются перенапряжения, значительно превосходящие средние напряжения в образце. Разрыв согласно этой схеме наступает тогда, когда напряжение у вершины хотя бы одной из опасных трещин достигает величины теоретической прочности.

По Гриффитсу, до достижения этого критического напряжения трещина не растет, но как только такое напряжение достигнуто, последняя начинает катастрофически углубляться в теле, рассекая его на части.

Представим, что эллиптическая трещина длиной 2/ ( 18) имеется в тонкой пластине, подвергнутой простому растяжению.

Концентрация напряжений в вершине трещины приводит к тому, что локально достигается теоретическое разрушающее напряжение, в то время как весь остальной материал испытывает воздействие сравнительно малых напряжений.

Если приложенное напряжение достаточно велико, то трещина начинает распространяться, освобождая энергию упругой деформации. Однако для образования новых поверхностей разрушения требуется некоторая энергия.

В соответствии с критерием Гриффитса трещина распространяется, если увеличение поверхностной энергии меньше, чем уменьшение энергии деформации, иначе говоря - разрушение происходит в том случае, когда при бесконечно малом удлинении трещины выделяется больше упругой энергии, чем это требуется для образования новых поверхностей. Поверхностная энергия должна быть меньше высвобождающейся упругой энергии, что возможно при достижении критического размера трещины

Как видно из выражения напряжение обратно пропорционально корню квадратному из длины трещины, и, следовательно, по мере распространения трещины необходимое напряжение уменьшается, т. е. распространение трещины - процесс ускоряющийся. Если в выражение (4.25) подставить типичные для хрупких тел значения а, у, Д то можно получить вероятный размер трещин. Для стекла получаются значения порядка 2 * Ю-4 мм, которые весьма близки к размерам реально наблюдаемых трещин.

Теория Гриффитса основана на представлении о зарождении трещин в условиях упругой деформации и не учитывает возможной пластической деформации перед разрушением.

Кроме энергетического подхода к анализу развития трещин, основанного на законе сохранения и превращения энергии, существует и силовой подход, когда рассматриваются условия равновесия действующих на трещину внешних (нагрузки) и внутренних сил, т. е. сил межатомного (межмолекулярного) сцепления

У трещины существует период докритического и закритиче-ского роста. Докритический рост трещины происходит, если конструкция не потеряла способности сопротивляться внешнему нагружению. Длительность докритического периода иногда исчисляется годами.

Основной причиной докритического роста трещин является пластическая деформация твердого тела. Чтобы трещина росла, нужны высокая плотность дислокаций (примерно 10ю на 1 см2) и только одноименные дислокации. Дислокации, «вливаясь» в полость разрушения, увеличивают ее. Чем больше приложенная нагрузка, тем неотвратимее разрушение и тем раньше оно наступит.

Совершенно хрупкие материалы трещиностойки лишь при очень малых напряжениях. Большее сопротивление развитию трещин оказывают вязкие материалы. Чтобы замедлить процесс разрушения, необходимо стремиться к тому, чтобы количество микротрещин в теле было минимальным. А если они уже существуют, то важно, чтобы размеры их были возможно меньшими. С этой целью в материалах и изделиях предусматривают механизмы притормаживания развития трещин. Простейшим из них является пластическая деформация. Поэтому желательно, чтобы материал был максимально вязким без потери прочности. При выполнении этих условий даже со многими микротрещинами металл может очень долго служить людям и быть воплощением надежности и прочности.

История техники - это во многом история борьбы с распространением трещин и попыток избежать их появления. Каменная кладка и бетон чрезвычайно эффективны, однако они обладают известными недостатками. В целях повышения трещиностойкости бетона предложено предварительное напряженное армирование стальными высокопрочными стержнями. В этом случае хрупкий компонент - бетон находится в состоянии сжатия растянутыми стальными стержнями - арматурой.

 

К содержанию книги:  Строительные материалы и изделия

 

Смотрите также:

 

  Строительные материалы (Учебно-справочное пособие)  

 

Строительные материалы и изделия

 

Строительные материалы (Воробьев В.А., Комар А.Г.)

 

Строительные материалы (Домокеев)

 

Строительные материалы из древесных отходов

 

Материалы будущего - силикаты, полимеры, металл...