§ 4. Механическое разрушение

Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойство материала разрушаться «внезапно», не претерпевая существенной деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам.

Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и большая деформация.

Большинство материалов при понижении температуры охрупчиваются, у них происходит переход от пластического разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др.

Хрупкое разрушение происходит в результате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке.

Трещина (как и надрез) вызывает концентрацию напряжений около ее вершины (рис. 16). В этом месте напряжение оказывается значительно большим, чем можно ожидать из простого уменьшения площади поперечного сечения.

Напряжение ак на конце трещины зависит от номинального напряжения ав, длины (глубины) трещины / и радиуса кривизны в

Трещина как бы разрезает атомные цепочки, и значительная часть нагрузки, которую несли разрезанные атомные цепочки, приходится теперь на атомную связь у конца трещины. Перегруженная связь лопнет раньше других и положение ухудшится, так как следующее звено будет еще больше перегружено. Таким образом, трещина становится (по словам Гордона) тем инструментом, с помощью которого приложенная извне слабая сила рвет прочные межатомные связи.

При распространении трещины материал вблизи трещины разгружается, и вследствие этого выделяется энергия упругой деформации. Объем, в котором выделяется энергия, изображается на рис. 16 как половина объема цилиндра единичной высоты, численно равного л/2/2. Выделенная энергия UR зависит от приложенного на-

Рис. 16. Концентрация напряжений в пластине с трещиной (по Ван Флеку): 1 — концентрация напряжений вершине трещины г

Трещина будет самопроизвольно расти, если длина трещины превышает некоторую «критическую длину Гриффитса», при которой освобождающаяся энергия упругой деформации больше энергии образующихся новых поверхностей, тогда

Напряжение, необходимое для разрушения растянутой пластины, возрастает у материалов с высоким модулем упругости и большей поверхностной энергией, оно уменьшается при наличии более глубоких поверхностных трещин.

В данном материале для каждого напряжения существует своя критическая длина трещин. Трещины, глубина которых превышает /кр, способны при данном а самопроизвольно расти со скоростью, приближающейся к скорости распространения упругой волны (1,5 — 2 км/с).

Сжимающие усилия, в отличие от растягивающих могут передаваться через трещины, не вызывая концентрации напряжений. Поэтому хрупкие материалы всегда оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при растяжении.

Торможение трещин при помощи создаваемых в материале внутренних поверхностей раздела используется в современных композиционных материалах.

Механизм торможения трещины по Куку — Гордону основан на том, что при распространении трещины кроме напряжений, перпендикулярных трещине, достигающих максимума в ее вершине, возникает растяжение в направлении, параллельном трещине. Растягивающее напряжение, параллельное трещине, равно нулю в вершине трещины и достигает максимума впереди трещины на расстоянии одного- двухатомных размеров от ее вершины. В растянутом материале отношение максимального напряжения, параллельного трещине, к максимальному напряжению, направленному перпендикулярно ее поверхности, равно приблизительно 1/5. Если прочность сцепления на поверхности раздела больше 1/5 прочности материала, то поверхность не разрушится, трещина ее только пересечет и поведение материала не изменится, т. е. он останется хрупким. Если же прочность сцепления меньше 1/5 прочности на растяжение самого материала, то прежде чем трещина достигнет поверхности раздела, последняя будет разрушена на небольшом участке, и образуется ловушка, способная остановить трещину (рис. 17).

Рис. 17. Схема торможения трещин (по Куку — Гордону)

Кончик трещины, который был очень малым, при встрече с поверхностью раздела становится очень большим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция к ее распространению (рис. 18).

Рис. 18. Влияние внутренних поверхностей на торможение развития трещин: а — волокнистый материал, содержащий внутренние поверхности; 6 — однородный материал (по Гордону)