Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард. Страница 19

Высокие значения работы разрушения мягких металлов обязаны в первую очередьпластичности этих материалов. Это означает, что при их растяжении криваядеформирования отклоняется от закона Гука при совсем небольших напряжениях,после чего материал начинает деформироваться пластически, подобно пластилину(рис. 21). Если стержень или лист из такого металла разрушается в результатерастяжения, то, перед тем как произойдет разрыв, материал вытягивается словнопатока или жевательная резинка. На концах в месте разрыва образец принимаетконическую форму и выглядит примерно так, как показано на рис. 22. Такую формуразрушения часто называют шейкообразованием.

Рис. 21. Кривая деформирования для пластичного металла (мягкая сталь).Заштрихованная область представляет работу разрушения металла.

Рис. 22. Работа разрушения пропорциональна объему пластичсскидеформированного металла (заштрихованная область) и поэтому, грубо говоря,пропорциональна t². Работа разрушения тонкого листа может быть оченьмалой. а - металлическая плита большой тощины, б - тонкий металлическиилист.

Шейкообразование и другие подобные формы пластического разрушения возможныпотому, что многие из бесчисленных слоев атомов в кристаллах металла способныскользить относительно друг друга. Дислокационный механизм этого скольженияне только обеспечивает взаимное проскальзывание слоев подобно картам вколоде, но и поглощает энергию, и весьма большую. Результатом всех этихсдвигов, скольжений и смещений в кристаллах является то, что металл обретаетспособность значительного формоизменения и поглощения упругой энергии.

Дислокационный механизм скольжения [32], постулированный первоначально Дж.Тейлором в 1934 г., был предметом интенсивных научных исследований в течениепоследних 30 лет. Он оказался исключительно тонким и сложным. Процессы,происходящие в столь, казалось бы, простой вещи, как кусок металла, оказалисьне менее хитроумными, чем большинство процессов в живых биологических тканях.Забавно, что этот хитроумный механизм, вероятно, не конструировался с какой-тоопределенной целью. Природа сама не может, так сказать, извлекать из негопользу, поскольку в своих конструкциях она никогда не использует металлы,которые и в самородках-то встречаются весьма редко. Однако дислокации вметаллах оказались чрезвычайно полезными для инженеров, можно сказать, что онибыли изобретены для их пользы, поскольку именно благодаря дислокациям металлыне только обладают трещиностойкостью, но и допускают ковку, обработку давлениеми одновременно упрочение.

А вот у искусственно созданных пластиков и волокнистых композитов способыпоглощения упругой энергии при разрушении иные. Механизм их совершенно отличенот механизма поглощения металлов, но достаточно эффективен. У биологическихматериалов также, по-видимому, имеются весьма совершенные механизмы получениябольших величин энергии разрушения, которые работают весьма изощренным образом.Способ, реализующийся, например, в древесине, исключительно эффективен, иработа разрушения дерева, взятая на единицу веса, больше, чем для большинствасортов стали [33].

Продолжим теперь обсуждение вопроса о том, как упругая энергия в эластичнойконструкции умудряется перейти в работу разрушения. Если угодно, в чемже действительная причина разрушения?

Гриффитс, или как жить в мире трещин и концентрации напряжений

Как было сказано в начале этой главы, все реальные конструкции имеюттрещины, царапины, отверстия и другие дефекты. Корабли, мосты, самолетыподвержены разнообразным случайным воздействиям, которые приводят к зазубринами надрезам, и мы должны научиться сосуществовать с ними, обеспечивая наибольшуювозможную безопасность, хотя, согласно Инглису, для многих из таких дефектовлокальные напряжения могут заметно превосходить справочные данные о прочностиматериала. Объяснение того, почему и как можно, вообще говоря, жить в окруженииконструкций, несущих столь высокие напряжения, без катастроф, было выдвинутоГриффитсом (1893-1963) в статье, опубликованной в 1920 г., как раз через25 лет после прекрасного рассказа Киплинга о трещине. Поскольку в 1920г. Гриффитс был никому не известным молодым человеком, на эту статью никтоне обратил внимания. Во всяком случае, энергетический (несиловой) подходГриффитса ко всей проблеме разрушения в то время да и в течение многихпоследующих лет был не только новым, но и совершенно чуждым самому духуинженерного мышления. Даже сегодня очень многие инженеры на самом делене понимают, в чем состоит суть теории Гриффитса.

Сказанное Гриффитсом состоит в следующем. Инглисова концентрация напряженийс энергетической точки зрения является просто механизмом (чем-то вродезастежки-молнии) для превращения упругой энергии в энергию разрушения,подобно тому как электромотор является механизмом для превращения электрическойэнергии в механическую работу, а консервный нож является механизмом дляиспользования мышечной энергии. Ни один из этих механизмов не будет работать,если не подводить к нему бесперебойно нужного рода энергию. Чтобы раздвинутьатомы материала, недостаточно одной только концентрации напряжений, а необходимеще подвод упругой энергии. Если подвод упругой энергии прекращается, останавливаетсяи процесс разрушения.

Рассмотрим теперь образец из упругого материала, который сначала растянули,а затем закрепили его концы таким образом, чтобы он не мог больше ни получать,ни отдавать механическую энергию. Таким образом создалась механическаясистема, содержащая определенное количество упругой энергии. Если в этомрастянутом материале начнет распространяться трещина, то требуемая работаразрушения должна быть полностью "оплачена" по энергетическому счету. Еслидля простоты мы примем, что наш образец является пластинкой материала единичнойтолщины, то требуемая энергия должна составить WL, где W- работа разрушения (на единицу площади), a L - длина трещины.Заметим, что речь здесь идет об "энергетическом долге", о том, что по энергетическомусчету должно быть занесено в дебет, хотя никакого кредита в действительностиполучено не было. Дебет линейно возрастает с ростом длины трещины L.

Эта энергия должна быть немедленно изыскана во внутренних ресурсах,и, поскольку мы имеем дело с замкнутой системой, она может быть полученатолько за счет уменьшения упругой энергии внутри системы. Другими словами,где-то внутри образца должно уменьшиться напряжение. Такая ситуация возможна,поскольку берега трещины под действием напряжения немного разойдутся, аэто немедленно приведет к уменьшению напряжения вблизи ее поверхности (рис.23). Грубо говоря, две треугольные области, затененные на рисунке, и отдадутупругую энергию. Можно ожидать, что эти области с ростом длины трещиныL будут в основном сохранять свои пропорции и поэтому ихплощадь будет расти как квадрат длины трещины, то есть как L².Следовательно, количество высвобождающейся упругой энергии будет растикак L².

Рис. 23.а - недеформированный образец; б - образец растянут, и его концыжестко закреплены; система не может ни получать, ни отдавать энергию; в - врастянутый образец внесена трещина. Напряжение в затененных областяхуменьшается, и они отдают упругую энергию, которая может теперь пойти надальнейшее распространение трещины.