Механічне руйнування - студопедія

Найбільше число відмов механічних систем є наслідком механічних руйнувань.

Причинами механічного руйнування елементів механічних систем можуть бути: тертя і знос, втома, контактні явища механічної, хімічної і фізичної природи, корозія, погіршення експлуатаційних властивостей в результаті впливу різних внутрішніх причин і зовнішніх впливів. Таким чином, механічне пошкодження є наслідком поступово розвиваються в механічно навантаженому матеріалі пошкоджень. Відповідно до цього одним з фундаментальних властивостей механічної міцності матеріалів є її залежність від часу. Отже, деформація і руйнування матеріалу характеризуються не граничними напруженнями, а швидкістю деформації і руйнування або довговічністю.

У загальному випадку швидкість процесів механічного руйнування навантаженого твердого тіла і час його руйнування залежать від структури і властивостей матеріалу, від величини напруги і температури.

До недавнього часу вважалися загальноприйнятими класичні уявлення про пластичну деформації і руйнуванні матеріалів як про критичні події, що наступають тоді, коли діючі в матеріалі напруги досягають певної критичної величини. Згідно з цими уявленнями при напружених, менших межі пружності, пластична деформація взагалі не може розвиватися, а руйнування тіла відбувається (практично миттєво) тільки тоді, коли напруги досягнуть межі міцності. Однак останнім часом з цим поглядом протиставляється інший підхід, згідно з яким руйнування матеріалу розглядається не як критичний подія, а як поступовий кінетичний термоактивационного процес, що розвивається в механічно напруженому матеріалі в часі з моменту прикладення до нього навантаження, в тому числі менше критичної. Руйнування є безактіваціонним процесом лише при дуже низьких температурах (близьких до абсолютного нуля) або при дії напружень, рівних межі теоретичної міцності (міцності атомних зв'язків).

Відповідно до цієї кінетичної теорії, згідно з якою одним з фундаментальних властивостей міцності є її залежність від часу, деформація і руйнування повинні характеризувати граничним напруженням, а швидкістю деформації і руйнування, а також довговічністю - часом, що вимагаються для руйнування. Межі пружності, плинності, міцності є з цієї точки зору лише деякими умовними характеристиками.

Швидкість процесів механічного руйнування навантаженого твердого тіла і, відповідно, час до руйнування залежать від структури і властивостей матеріалу тіла, від напруги, що викликається навантаженням, і температури. Запропоновано ряд емпіричних формул, що описують залежність часу до руйнування від цих чинників. Найбільше визнання отримала т.зв. кінетична теорія міцності, в рамках якої запропонована і експериментально обгрунтована для багатьох матеріалів (чистих металів, сплавів, полімерних матеріалів, напівпровідників, органічного та неорганічного скла та ін.) наступна температурно-тимчасова залежність міцності:

де: # 964; - час до руйнування; # 964; 0 - період власних теплових коливань атомів в решітці (10 -12 - 10 -14 с); U0 - початкова енергія активації під час відсутності механічної напруги; # 963; - напруга в матеріалі від механічного навантаження; # 947; - структурний коефіцієнт (чутливість матеріалу до напруги). Швидкість руйнування обернено пропорційна часу до руйнування.

Атоми речовини повинні для ініціації руйнування подолати енергетичний бар'єр, величина якого залежить від прикладеного навантаження: Ea = U0- # 947; # 963 ;. Руйнування матеріалу може мати місце при будь-якій напрузі менше межі міцності. Напруга розриву залежить від тривалості впливу навантаження і від температури. Тому гранично допустимі напруги вказуються з прив'язкою до тривалості дії навантаження. Структурний коефіцієнт враховує неоднорідності структури, наприклад, дислокації, що викликають локальні перенапруження в матеріалі. Час до руйнування величина випадкова. Її середнє значення зазвичай називається довговічністю. Справедливість рівняння доведена для довговічності t до 10 7 с. Збільшення t всього на порядок вимагає збільшення тривалості випробувань від декількох місяців до декількох років.

Таким чином, згідно з кінетичної теорії міцності руйнування може відбуватися при напрузі, менших межі міцності, і що розривне напруга залежить від часу дії прикладеного навантаження і від температури матеріалу.

Кінетична теорія міцності наголошує на необхідності врахування впливу теплового руху (флуктуації теплової енергії) на процеси деформації і руйнування, особливо в їх початковій стадії. Процес руйнування при навантаженнях нижче критичної не може відбуватися за відсутності теплового руху атомів і молекул, яке є фактором, принципово обумовлює розрив матеріалу при навантаженнях, менших критичної. Руйнування розглядається як процес, в якому за рахунок теплових флуктуацій долається енергетичний бар'єр U0. знижений в результаті дії напружень на величину # 947; # 963 ;. При цьому фізичний зміст величин, що входять в рівняння довговічності, збіг величини # 964; 0 з періодом атомних коливань показують, що процес руйнування являє собою ряд елементарних актів, пов'язаних з тепловим рухом атомів і молекул.

Обговорювана формула справедлива в області великих напруг і порівняно низьких температур (<0,5Тпл ), когда действует механизм разрушения, обусловленный процессом последовательного флуктуационного разрыва атомных связей в кристаллической решетке.

В області малих напруг і високих температур діє дифузний механізм руйнування, заснований на зростанні тріщини внаслідок припливу вакансій або на освіту осередків порушення зв'язків в місці скупчення надмірної кількості вакансій, що призводить до температурно-часової залежності міцності іншого виду:

де D - коефіцієнт об'ємної дифузії; За - кількість об'єдналися вакансій; а - атомний розмір; # 963; - чинне напруга; Е - модуль пружності; k - постійна Больцмана; З - чисельна константа порядку одиниці.

Якщо розрив міжатомних зв'язків і спрямована дифузія вакансій - основні причини утворення та розвитку мікротріщин в металах і сплавах, то руйнування полімерів є наслідком розриву внутрішньомолекулярних хімічних зв'язків в результаті теплових флуктуацій (термодеструкція). Тут уже структурний коефіцієнт відображає ступінь полімеризації і орієнтацію полімерних ланцюгів.

Для полімерних матеріалів температурно-тимчасова залежність міцності визначається кінетикою поступового флуктуаційного розриву хімічних зв'язків. Енергія активації процесу руйнування полімерів, зменшується під дією напруги, відповідає енергії активації термодеструкції; при цьому величина U0 у формулі (3) являє собою енергію активації процесу термодеструкції полімерних ланцюгів в ненапруженому полімері, рівну енергії хімічного зв'язку між атомами в полімерній ланцюжку.

Велике практичне значення має знання закономірностей руйнування складових матеріалів, армованих волокнами. Механізм руйнування цих матеріалів представляється наступним. Внаслідок того, що волокна мають дефекти, розподілені по їх довжині, руйнування волокон відбувається в деяких випадкових точках (перетинах) при навантаженнях, менших, ніж загальна руйнівне навантаження для складеного матеріалу. У місці руйнування волокна виникає концентрація напружень, яка при збільшенні навантаження може викликати появу невеликих місцевих тріщин в сполучному (основному) матеріалі. В процесі подальшого навантаження за рахунок зсуву сполучного матеріалу суміжні тріщини з'єднуються один з одним. Цей процес розриву волокон, виникнення місцевих тріщин в основному матеріалі і з'єднання суміжних тріщин триває безперервно до загального руйнування складеного матеріалу.

Таким чином, кінетика руйнування і довговічність більшості матеріалів визначається, перш за все, розвитком і досягненням критичного розміру тріщин. Критична довжина тріщини залежить від величини відношення міцності матеріалу до прикладеній напрузі (в ступені 2) і геометрії тріщини - радіуса кривизни її вершини (в ступені 1).

При великому числі циклів матеріал може зруйнуватися при напружених нижче межі пружності. Це явище називається втомним руйнуванням. Явище втомного руйнування матеріалу пов'язано, в кінцевому рахунку, з його пластичною деформацією.

Процеси руйнування при циклічному режимі навантаження, для якого давно встановлена ​​тимчасова залежність міцності, і при статичному навантаженні зазвичай протиставляються один одному; передбачається, що закономірності руйнування при циклічному і статичному навантаженні різні. Однак кінетична теорія руйнування твердих тіл дає підставу вважати, що, хоча характер зміни зовнішнього навантаження впливає на процеси деформації і руйнування, існує певна спільність процесів руйнування незалежно від умов навантаження; процеси руйнації обумовлені однаковим механізмом.

Швидкість навантаження істотно впливає на механізм руйнування твердого тіла. При повільному збільшенні навантаження відбувається пружна деформація, потім - пластичне протягом твердого тіла і, нарешті, - його розрив. Повільне зростання механічної напруги може супроводжуватися протіканням вторинних процесів в твердих тілах і відповідними оборотними і необоротними змінами властивостей тіла. При великій швидкості наростання механічної напруги зазвичай відбувається крихке руйнування більшості матеріалів.

Процеси руйнування, що протікають в твердому тілі, істотно залежать від його фізико-хімічної взаємодії з навколишнім середовищем. Встановлено, що довговічність, наприклад, міді і алюмінію в вакуумі до 10 -5 мм рт. ст. збільшується відповідно в 20 і 10 разів у порівнянні з довговічністю в звичайній атмосфері. Вплив багатьох активних середовищ починається з адсорбції елементів середовища (молекул або іонів) на поверхні твердого тіла. Таким чином, адсорбційний механізм впливу середовища є первинним (попереднім всім іншим видам впливу зовнішнього середовища на властивості матеріалів) і найбільш універсальним.

Адсорбционное вплив навколишнього середовища обумовлено, головним чином, двома факторами:

1. Впливом фізико-механічного стану поверхні твердих тіл (металів і неметалів) на їх механічні властивості. Характеристики пластичної деформації, опір повзучості, втомна міцність і внутрішнє тертя значно змінюються в залежності від стану поверхні. Міцність твердих тіл пропорційна їх поверхневої енергії, отже, фактори, що викликають зменшення вільної поверхневої енергії, т. Е. Зменшення роботи утворення нових поверхонь, викликають тим самим більш-менш значне зниження міцності;

2. Дією так званих поверхнево-активних (адсорбционно-активних) речовин (ПАР), що знижують поверхневу енергію твердого тіла. Зниження вільної поверхневої енергії, пов'язане з адсорбцією, лежить в основі змін механічних властивостей (міцності і пластичності) твердих тіл під впливом поверхнево-активних речовин (ефект Ребіндера). Оскільки руйнування можна розглядати як процес утворення нових поверхонь (поверхонь тріщин і розломів), то, отже, адсорбція поверхнево-активних речовин, зменшуючи роботу, необхідну для утворення нових поверхонь, знижує опір руйнуванню.

Розрізняють зовнішній і внутрішній адсорбційні ефекти. Зовнішній викликається адсорбцією поверхнево-активних речовин на зовнішній поверхні твердого тіла, що призводить до зниження межі текучості і коефіцієнта зміцнення. Внутрішній адсорбційний ефект виникає в результаті адсорбції поверхнево-активних речовин на поверхні дефектів всередині твердого тіла, наслідком чого є зниження міцності і крихкість.

Прийнято розрізняти прояв адсорбційного зниження міцності під впливом органічних поверхнево-активних речовин, рідких металів і електролітів.

Органічні ПАР - спирти, вищі жирні кислоти, каніфолі, мила і т. Д. - мають значну за величиною дифільної молекулу (що складається з будь-якої полярної групи - СООН, ВІН, NH2. SH, CN, NO2. CHO і т. П . володіє великим дипольним моментом, і неполярного вуглеводневого радикала), яка не може дифундувати в решітку металу. Дія органічних ПАР чисто поверхневе, причому ці речовини незначно знижують рівень поверхневої енергії металу (не більше (10 - 15)% від вихідного); їх називають слабкими поверхнево-активними речовинами.

Розплавлені легкоплавкие метали, атоми яких за величиною сумірні з константою решітки твердого металу, можуть дифундувати в нього і здатні значно знизити рівень поверхневої енергії твердого металу; ці поверхнево-активні речовини носять назву сильних.

Іони електролітів, схильні до специфічної адсорбції на поверхні твердого металу, заряджають цю поверхню, але через значне розміру зазвичай не можуть потрапити в грати, причому іони галогенів сильно знижують рівень поверхневої енергії металу, тоді як інші іони, наприклад, сульфатні, слабо впливають на рівень поверхневої енергії (аналогічно слабким ПАР).

Разупрочняется дію ПАР пов'язано з наявністю мікротріщин на поверхні, що виникають в процесі деформації або тих, що були ще до додатка навантаження. ПАР фізично адсорбуються на поверхні тіла, проникаючи в усі дефекти, мігруючи до основи тріщини. В результаті створюється великий тиск, величина якого визначається рівнянням, виведеним для тиску, що розвивається в капілярах:

де DR - тиск поперек меніска; r - радіус пори; # 920; - кут контакту, що характеризує ступінь змочування; g - вільна поверхнева енергія.

Коли матеріал змочується повністю (cos # 920; = 1), # 916; Pmax = 2 # 947; / r. При малому значенні r тиск може бути дуже великим.

Тертя дотичних елементів викликає їх механічний знос. У процесі зносу можуть змінитися: маса, розміри, форма і стан поверхні деталі. До механічному взаємодії дотичних деталей можуть додаватися молекулярне та хімічна їх взаємодії, також призводять до зносу.

Залежність швидкості зношування від часу, як правило, складається з декількох стадій, що відповідають періодам підробітки, нормальної роботи і інтенсивного зносу деталі.