Введение

В течение многих лет применение материалов в инженерном проектировании ставило перед человечеством сложные задачи. В каменном веке задача состояла главным образом в том, чтобы придать материалу нужную форму. В начале бронзового и железного веков трудность заключалась также в производстве металлов. В течение многих веков обработка металлов была трудоемкой и чрезвычайно дорогой процедурой. Например, снаряжение рыцаря и его коня стоило столько же, сколько стоил танк «Центурион» во время второй мировой войны.

С развитием искусства обработки металлов они все чаще стали применяться в конструкциях. Опыт показал, что конструкции, построенные из этих материалов, не всегда ведут себя удовлетворительно и часто самым неожиданным образом разрушаются. Существуют детальные описания процессов литья и ковки, производимых в средние века. Если судить с современных позиций, то за существенные технические недостатки конструкций были бы ответственны именно эти методы производства. Должно быть, по этой причине стрелки, поджигая заряд, молились, чтобы доза была отмерена точно, и ствол не взорвался.

Чрезвычайно интенсивное использование металлов в XIX в. привело к тому, что число аварий и несчастных случаев достигло необычайных размеров. В течение десятилетия, с 1860 по 1870 г., число людей, погибших в Великобритании во время железнодорожных катастроф, было порядка двух сотен в год. Большинство несчастных случаев происходило из-за трещин в колесах, осях или рельсах. Из отчетов о несчастных случаях за последние 200 лет Андерсон [1] составил интересную сводку. Приводим несколько выдержек:

  • «19 марта 1830 г. около 700 человек собралось на монтросском висячем мосту, чтобы наблюдать за лодочными гонками. В это время одна из основных цепей разошлась. что привело к определенным людским жертвам»;
  • «22 января 1866 г. провалилась часть крыши на железнодорожной станции в Манчестере, что повлекло за собой смерть двух людей. Это происшествие было вызвано разрушением отлитых из железа подпорок.»;
  • «13 декабря 1898 г. произошло разрушение газового танка в Нью-Йорке; при этом было убито и ранено несколько человек и нанесен значительный материальный ущерб»;
  • «Водопровод высокого давления взорвался в Бостоне 3 января 1913 г. и затопил все вокруг.»;
  • «Инжиниринг, февраль 1866 г. От пятидесяти до шестидесяти взрывов паровых котлов происходит ежегодно в Объединенном Королевстве, что связано с потерей многих жизней и значительным материальным ущербом. Не пришло ли время правительству создать комиссию для расследования?»;
  • «Наиболее значительное железнодорожное происшествие педели произошло 20 апреля (1887); оно было вызвано поломкой сцепного бруса. Трое человек было убито и двое смертельно ранены»;
  • «Наиболее значительное железнодорожное происшествие недели произошло 27 мая (1887). Разрушение колеса привело к гибели шести человек»;
  • «Наиболее значительное железнодорожное происшествие недели произошло 2 июля (1887); оно было вызвано поломкой оси».

Некоторые из приведенных несчастных случаев происходили, несомненно, из-за плохого проектирования. С течением времени стало ясно, что трещины и разрушения могут порождаться пустотами в материале, так называемыми раковинами. Предотвращение появления таких раковин повысило бы надежность конструкций. Усовершенствование методов производства, накопление знаний и более полное понимание свойств материалов привели к тому, что количество разрушений значительно снизилось.

С появлением сварных конструкций несчастные случаи опять участились. Из 2500 кораблей типа «Либерти», построенных во время второй мировой войны, 145 разломилось пополам и почти 700 претерпело серьезные разрушения. Подобная участь постигла множество мостов и других конструкций. Данные об этих разрушениях собраны Андерсоном [1] и более детально Биггсом [2].

Разрушения часто происходили при непрерывном действии малых напряжений (несколько кораблей разрушилось неожиданно, когда находились в гавани), что делало эти разрушения, казалось бы, необъяснимыми. В результате во многих странах, особенно в США, были проведены развернутые исследования, которые позволили установить, что в этих случаях ответственными за разрушение явились раковины и концентрации напряжений (и до некоторой степени внутренние напряжения).

Разрушение происходило так, будто материал конструкции был хрупким; оно сопровождалось очень малыми пластическими деформациями. Как оказалось, хрупкое разрушение стали вызывалось низкими температурами и условиями, в которых возникают пространственные напряжения, имеющие место в острой выемке или раковине. При этих условиях строительная сталь может растрескиваться без заметных пластических деформаций.

При температуре, превышающей некоторую определенную величину, которая называется температурой перехода, сталь проявляет свои пластические свойства. Температура перехода может возрастать от теплового воздействия при сварке.

В настоящее время хрупкое разрушение сварных конструкций, выполненных из низкопрочных строительных сталей, может быть предотвращено. Необходимо сделать так, чтобы производимый материал имел низкую температуру перехода, а процесс сварки не вызывал перехода из пластичного состояния в хрупкое. Следует избегать больших концентраций напряжений и следить за тем, чтобы сварные швы практически не имели дефектов.

После второй мировой войны использование высокопрочных материалов увеличилось. Эти материалы часто применяют там, где требуется уменьшить вес конструкции. Развитие методов исследования напряжений дало возможность более надежно определять локальные напряжения. Это в свою очередь позволило уменьшить коэффициенты запаса, что привело к еще большей экономии веса. Следовательно, конструкции, выполненные из высокопрочных материалов, имеют лишь небольшой запас прочности. Это означает, что рабочие напряжения могут быть достаточными для образования трещины (чему может содействовать агрессивная среда), особенно если в материале с самого начала имеются большие концентрации напряжений и раковины. Высокопрочные материалы обладают малой трещиностойкостью (вязкостью разрушения); остаточная прочность при наличии трещин низка. Даже если имеются только маленькие трещины, конструкция, выполненная из высокопрочных материалов, может разрушиться при напряжениях, меньших максимального рабочего напряжения, на которое они были рассчитаны.

Разрушения при малых напряжениях, вызванные маленькими трещинами, во многих отношениях очень похожи на хрупкие разрушения сварных конструкций из низкопрочных сталей. Такое разрушение влечет за собой лишь очень маленькие пластические деформации, носит хрупкий характер с технической точки зрения, хотя микромеханизм разделения в этом случае такой же, как и в случае пластического разрушения. Случаи разрушения при низких напряжениях в высокопрочных материалах стимулировали развитие механики разрушения.

Техническая механика разрушения позволяет выработать методику компенсации несоответствий в общепринятых концепциях проектирования. Общепринятые критерии проектирования основаны на таких понятиях, как напряжение при растяжении, предел текучести и напряжение при изгибе. Эти критерии являются удовлетворительными для расчета многих инженерных сооружений, но они недостаточны, когда имеется вероятность возникновения трещин. Теперь, после примерно двух десятков лет развития, механика разрушения стала полезным инструментом при проектировании изделий из высокопрочных материалов.

Настоящая глава является введением в механику разрушения. В следующем параграфе приведен обзор задач, которые можно решить с помощью положений механики разрушения, и очерчены границы области применения механики разрушения, которые значительно шире, чем принято думать. Остальная часть главы представляет собой краткую сводку положений механики разрушения. Более подробно все эти вопросы рассмотрены в последующих главах.



§ 1.1 Введение  Следующая 
 
Наш сайт работает на Sapid CMS
Яндекс цитирования
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line