Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард. Страница 18

Далее, чтобы разорвать материал, в нем должна возникнуть трещина. Однако,как мы вскоре увидим, чтобы такая трещина продвинулась на своем пути, необходимозатратить энергию, которую надо где-то взять. Как мы говорили выше, можнобез труда сломать лук, "стреляя" из него без стрелы. При этом запасеннаяв луке упругая энергия не может благополучно высвободиться и перейти вкинетическую энергию стрелы, а потому часть ее идет на образование трещинв материале самого лука. Другими словами, упругая энергия лука его же иломает. Однако сломанный лук - это только частный случай разрушения вообще.

Все упругие вещества, находящиеся под действием нагрузки, содержат большееили меньшее количество упругой энергии, и эта энергия потенциально всегдаможет пойти на процесс разрушения их самих. Другими словами, запасеннаяупругая энергия может пойти на то, чтобы покрыть энергетические затратына распространение трещины в конструкции и, следовательно, на поломку последней.В конструкции с высоким резильянсом может содержаться большая упругая энергия;того же рода энергия, к которой прибегали древние римляне, чтобы пробитьмассивные стены Карфагена, в равной мере годна на то, чтобы сам себя сломалпополам громадный супертанкер.

Согласно современной точке зрения, в том случае, когда материал подвергаетсярастягивающей нагрузке, мы не должны рассматривать его разрушение как результатнепосредственного растяжения химических связей между атомами. Иначе говоря, этоотнюдь не простое следствие, вызванное действием растягивающего напряжения, какможно подумать, начитавшись классическихучебников [30]. Прямымрезультатом увеличения нагрузки, действующей на конструкцию, будет лишьувеличение запаса упругой энергии в материале. Ответ на вопрос, поломается лина самом деле конструкция в любом заданном месте (цена ответа может составить,например, 64 тыс. долларов), зависит от того, может ли упругая энергия перейтив энергию разрушения так, чтобы образовать трещину.

Современную механику разрушения занимает прежде всего не вопрос о нагрузкахи напряжениях, а вопрос о том, как, почему, где и когда упругая энергияможет перейти в энергию разрушения. Конечно, в простых случаях, когда имеютдело с веревками и стержнями, действует классическая концепция критическогоразрушающего напряжения, однако для больших или сложных конструкций, таких,как мосты, пароходы или сосуды высокого давления, она, как мы уже видели,страдает опасным переупрощением. Оказывается, что независимо от того, подвергаетсяли конструкция удару или действию статической нагрузки, разрушение путемразрыва зависит главным образом от следующего:

1) от цены в единицах энергии, которую нужно заплатить, чтобы протолкнутьтрещину;

2) от количества упругой энергии, которым располагает конструкция, готоваязаплатить указанную цену;

3) от размеров и формы наиболее опасных отверстий, трещин или дефектовконструкции.

Тот факт, что величины энергии, необходимые для того, чтобы разрушить материалв любом данном поперечном сечении, для различных твердых тел весьма различны,легко подтвердить, ударив молотком сначала по стеклянной, а потом по консервнойбанке. Количество энергии, требуемое для разрушения материала, отнесенноек поперечному сечению, определяет его вязкость разрушения, или "трещиностойкость",которую в настоящее время чаще называют энергией или работой разрушения.Упомянутое свойство совершенно отлично и независимо от прочности материалана разрыв, которая определяется как напряжение (а не как энергия), требуемоедля разрушения твердого тела. От трещиностойкости, или работы разрушенияматериала, в значительной мере зависит реальная прочность конструкции,особенно если она велика по размерам. А поэтому нам следует немного поговоритьо работе разрушения различных типов твердых тел.

Энергия, или работа, разрушения

Когда твердое тело разрушается при растяжении, должна возникнуть хотябы одна трещина, распространение которой разделяет кусок материала на части.Это означает, что должны образоваться по крайней мере две новые поверхности,не существовавшие ранее, до разрушения тела. Чтобы таким путем произвестив материале разрыв и образовать эти новые поверхности, необходимо разорватьвсе химические связи, до того сцеплявшие между собой поверхности.

Количество энергии, требуемое для разрыва почти всех типов химических связей,хорошо известно (по крайней мере химикам), и оказывается, что для большинстватвердых тел, с которыми мы имеем дело в технике, общие количества энергии,требуемые для разрыва всех связей по любой единичной плоскости в любомпоперечном сечении [31], весьма близки между собой и не сильно отличаются отвеличины 1 Дж/м².

Если мы имеем дело с материалами, которые носят название хрупких - кним относятся камень, кирпич, стекло и фаянс, - упомянутое количество энергиии есть почти вся та энергия, которую мы должны сообщить телу, чтобы произвестиразрушения. В действительности 1 Дж/м² - это совсем малое количествоэнергии. Так, согласно самой простой оценке упругая энергия, которую можнозапасти в 1 кг сухожилий, достаточна для того, чтобы "заплатить" за 2500м² свежей поверхности битого стекла. (Такое действие эквивалентновизиту слона в посудную лавку.) Вот почему каменщик раскалывает кирпичточно пополам всего лишь легким ударом мастерка, а чтобы разбить тарелкуили бокал, достаточно малейшей неловкости.

Хрупкие материалы по возможности не используются там, где они могутподвергнуться действию растяжений. Эти материалы являются хрупкими в первуюочередь не потому, что имеют низкую прочность на разрыв,- это означалобы, что для их разрушения требуется небольшая сила, - а потому, что дляих разрушения требуется только небольшая энергия.

Технические и биологические материалы, которые используются в условияхрастяжения и в этом смысле являются относительно безопасными, для образованияновой поверхности при разрушении требуют значительно большей энергии. Другимисловами, работа разрушения для них значительно (несравненно!) больше, чемв случае хрупких твердых тел. Для практически вязкого трещиностойкого материалавеличина работы разрушения обычно лежит в пределах 10³-10⁶Дж/м². Поэтому энергия, требуемая для разрушения сварочногожелеза или мягкой стали, может быть в миллион раз больше энергии, требуемойдля разрушения в таком же поперечном сечении стекла или керамики, хотявеличины статической прочности на разрыв этих материалов не сильно различаются.Поэтому таблица значений прочности на разрыв, подобная табл. 2, в случаеесли ее используют для выбора какого-то конкретного материала, может дезинформироватьконструктора. По этой же причине классическая теория упругости, основаннаяглавным образом на силах и напряжениях, которая старательно разрабатываласьв течение столетий - и еще более старательно преподавалась студентам, -сама по себе не может правильно предсказывать разрушение реальных материалови конструкций.

Таблица 4. Приближенные величины работы разрушения и прочности при растяжениинекоторых распространенных материалов

Вещество / Приближенное значение работы разрушения Дж/м² /Приближенное (номинальное) значение прочности на разрыв МН/м²

Стекло, керамика / 1-10 / 170

Цемент, кирпич, камень / 3-40 / 4

Полиэфирные и эпоксидные смолы / 100 / 50

Нейлон, полиэтилен / 10³ / 150-160

Кость, зубная ткань / 10³ / 200

Дерево / 10⁴ / 100

Мягкая сталь / 10⁵ - 10⁶ / 400

Высокопрочная сталь / 10⁴ / 1000

Хотя в деталях механизм поглощения столь огромных количеств энергиив виде работы разрушения в вязких трещиностойких материалах часто являетсятонким и сложным, общий принцип его действия весьма прост. В хрупком твердомтеле работа, производимая в процессе разрушения, на самом деле сводитсяк той работе, которая необходима, чтобы разорвать химические связи на возникающейв процессе разрушения новой поверхности или в ее непосредственной окрестности.Как мы уже видели, соответствующая энергия мала и составляет около 1 Дж/м²В трещиностойком материале, несмотря на то что прочность и энергия каждойиндивидуальной связи остаются теми же, изменения структуры материала впроцессе разрушения распространяются на гораздо большую глубину. Практическиэти изменения вполне могут распространяться на глубину свыше сантиметра,то есть на глубину, измеряемую 50 млн. атомов под видимой поверхностьюразрушения. Поэтому если в процессе нагружения разорвется только одна межатомнаясвязь, то энергия, требуемая для образования новой поверхности, увеличитсяв миллионы раз, что, как мы видели, и имеет место в действительности. Молекулы,находящиеся вдали от поверхности разрушения, способны, таким образом, поглощатьэнергию и вносить свой вклад в сопротивление разрушению.