Тріщиностійкість матеріалів і цілісність конструктивних елементів

Характеристики локального опору рівноважному руйнуванню , . і повинні бути визначені на малостиснених і на високостиснених зразках. У ході серійних випробувань таких зразків на одновісний розтяг необхідно, як мінімум, двічі зупинити тріщину, що росте. Йдеться про локалізацію приростів тріщини в зразках, що містять малі геометричні або структурні недосконалості. Принциповою перевагою характеристик , і є їх інваріантність по відношенню до численних чинників взаємодії між областями до межі і позамежних пошкоджень матеріалу. Перші розташовуються перед зонами розвитку процесу руйнування, а другі прилягають до поверхонь тріщини. Для даних зразків а та б виконується умова , тобто в момент "i" зразок не містить зон позамежних пошкоджень. Отже, значення , і не змінені впливом полів залишкових деформацій і структурних пошкоджень поблизу вільних поверхонь тріщини.

Процес формування природної  тріщини моделюється всестороннім розширенням наскрізного еліптичного отвору. Його розміри і відповідають моменту появи рівноважної тріщини відриву в області центральної точки зразка. Вони розраховуються з використанням -кривих. В основі розрахунків лежить гіпотеза про рівність розмірів ЗАП в зразку без концентраторів напружень, аналогічним параметрам та для ЗАП, що розташовується перед вершиною рухомо-рівноважної тріщини. Це припущення підтверджено фактом ідентичності поверхонь руйнування, що утворюються на стадіях ініціювання та подальшого зростання природної тріщини відриву в зразках з тонколистового алюмінієвого сплаву [12, 13].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Узагальнення результатів дослідження

Розроблювана методологія включає в себе нову математичну модель центральної тріщини, нові критерії рівноважного руйнування, нові характеристики опору матеріалу появі і подальшого росту природної тріщини, а також нову процедуру оцінювання цілісності пошкоджених пластин і оболонок. Цей перелік дозволяє стверджувати, що до теперішнього часу вдалося створити наукові основи ЕМ. Тим самим у механіку руйнування введений альтернативний підхід до визначення критичного стану деталей з тріщинами і тріщиноподібними дефектами.

У рамках запропонованого  підходу використовуються істотні  обмеження, спрощення та допущення. З їх допомогою відокремили головне від другорядного, тобто зосередили зусилля на вирішенні принципово важливих проблем. Так, поза обговорюваної програми досліджень залишені різні важливі питання взаємодії магістральної тріщини з іншими концентраторами напруг, наприклад, з тріщинами менших розмірів, отворами і вирізами. Крім того тимчасово виключений аналіз фізичних і мікроструктурних аспектів досліджуваного явища. Вважається, що використання величин одноразового використання, якими є нинішні характеристики пошкодження матеріалів, непомірно ускладнює процедуру оцінювання цілісності деталі з одною макротріщиною відриву.

Показниками цілісності пластин та оболонок є взаємозбалансовані величини критичних навантажень, зсувів країв тріщини і її приростів. Вони визначаються за допомогою простих математичних виразів, що включають в себе силові, деформаційні і енергетичні характеристики механічної поведінки матеріалу всередині ЗАП. Відповідні формули дозволяють здійснювати інженерні розрахунки допустимих розмірів наскрізної тріщини в разі одновісного і двовісного прилягання розтягуючих і стискаючих навантажень. Передбачається, що шукані показники цілісності неможливо або недоцільно визначати проведенням натурних випробувань виробу. Їх треба розрахувати за результатами випробувань зразків, що є прийнятними для звичайної лабораторії розміри.

У ході планування і проведення багаторічних пошукових досліджень часто захоплюються глибиною пізнань нашого знаменитого земляка Степана Прокоповича Тимошенко. Йому належить давнє, але актуальне і зараз, напевно, доступного для огляду майбутнього, висловлювання [14]: "Яким чином локально високий рівень напружень ослаблює деталь у процесі експлуатації? Задовільну відповідь на це важливе питання може бути отримана тільки на основі експериментальних досліджень ".

В основі відповідей на сформульоване таким чином питання лежать результати великих експериментальних досліджень руйнування матеріалів різних класів. Однак даний факт, сам по собі, не може бути гарантією наукової спроможності та практичної корисності розроблюваної методології. Тому нижче наведені додаткові аргументи, які підтверджують доцільність продовження робіт з удосконалення ЕМ.

На етапі вибору цілей  і постановки завдань дослідження  виконаний ретельний і всебічний аналіз літературних даних про досліджуване явище. У результаті встановлені витоки і причини широкого розповсюдження помилкових уявлень про закономірності розвитку тріщин відриву. Справа в тому, що багато фахівців у своїх публікаціях використовують вибірковий підхід до трактування змісту і результатів опублікованих робіт. Вони зазвичай цитують тільки ті результати і факти, котрі узгоджуються з їх власними поглядами на ту чи іншу проблему. При цьому результати теоретичних і експериментальних досліджень, що відображають протилежну точку зору, як правило, не згадуються. Даний аналіз в рівній мірі охоплював, як "зручні", так і "незручні" експериментальні дані, факти і спостереження. Як згадувалось вище, для класичних підходів механіки руйнування "незручними" є відомості про стабільне зростання тріщин відриву при одноосьовому, двохосьовому і трьохосьовому стисненні. До перших застосовні, а до других не застосовні теорії Гріффітса-Ірвіна і Черепанова-Райса. Розробники цих теорій спочатку вилучили з розгляду "незручні" факти в силу їх парадоксальності. Ось що сказано у фундаментальній роботі Бріджмена [15]: "Розрив може відбутися по площині, перпендикулярно до якої немає компонентів напружень. Це найвищою мірою парадоксальне явище з точки зору традиційних уявлень про розрив ". В іншому місці він зазначає: "Одержаний розрив у склі при середньому гідростатичному тиску 26000 кг/ при прикладеному розтягуючому напруженні 10900 кг/ , так що сумарне напруження перпендикулярне до площини, по якій відбувся розрив, представляє собою напруження стиску, рівне 15100 кг/ ".

 Критична оцінка робіт попередників дозволила своєчасно відмовитися від використання в рамках ЕМ ряду спірних передумов, надмірних спрощень, а також правдоподібних, але нічим не підтверджених,  гіпотез і висновків. Крім того, своєчасно (приблизно двадцять років тому) відмовилися від використання критеріїв руйнцвання Гріффітса-Ірвіна і Черепанова-Райса в якості безальтернативного і теоретичного фундаменту інженерних розрахунків на міцність тіл з тріщинами відриву.

На завершальній стадії цієї роботи в основному проводилися  експериментальні дослідження стабільного росту тріщин в тонколистових металевих матеріалах. Широкомасштабні випробування зразків різних типів і розмірів були виконані завдяки фінансовій підтримці з боку Європейського Союзу. Вона здійснювалася в рамках міжнародного проекту INTAS 94-0722 та проектного договору № 2212 з Українським науково-технологічним центром. Крім того, автор даного повідомлення отримав сім грантів Академії наук Австрії та два гранти Королівського суспільства Великобританії. Співробітники Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренко, що брали участь в обговорюваному циклі робіт, щиро вдячні всім спонсорам за безкорисливу і ефективну допомогу.

 

Висновок

Дана методологія включає в себе нову математичну модель центральної тріщини, нові критерії рівноважного руйнування, нові характеристики опору матеріалу появі і подальшого росту природної тріщини, а також нову процедуру оцінювання цілісності пошкоджених пластин і оболонок. Цей перелік дозволяє стверджувати, що до теперішнього часу вдалося створити наукові основи  ЕМ. Тим самим у механіку руйнування введений альтернативний підхід до визначення  критичного стану деталей з тріщинами і тріщиноподібними дефектами.

Показниками цілісності пластин та оболонок є взаємозбалансовані  величини критичних навантажень, зсувів країв тріщини і її приростів. Вони визначаються за допомогою простих  математичних виразів, що включають  в себе силові, деформаційні і енергетичні  характеристики механічної поведінки матеріалу всередині ЗАП. Відповідні формули дозволяють здійснювати інженерні розрахунки допустимих розмірів наскрізної тріщини в разі одновісного і двовісного прилягання розтягуючих і стискаючих навантажень.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаної літератури

1. R6, Revision 4, Assesment of the Integrity of Structures Containing Defects // British Energy Generation Ltd.-2011.
2. Schwable K-H., Zerbst U., Kim Y-J., Brocks W., Cornec A., Heerens J. and Amstutz H. EFAM ETM 97-the ETM method for assessing the significance of crack-like defect in engineering structures, comprising the versions ETM 97/1 and ETM 97/2 // Report GKSS 98/E/6. Geesthacht Germany:-GKSS Research Centre Publications.-1998.
3. SINTAP. Structural Integrity Assessment Procedure // EU-project BE 95-1462:-Final Report.- Brite Euram Programme.-Brussels.-1999.
4. RILEM TC 89-FMT Recommendation Determination of fracture parameters of plain concrete using there-point bend tests // Materials and Structures.-1990.-23.-P. 457-460.
5. RILEM TC 89-FMT Recommendation. Size-effect method for determining fracture energy and process zone size of concrete // Mater. and Stuct.-1999.-36.-P. 5639-5661.
6. Naumenko V. P. Modelling of brittle fracture in tension and compression // Fracture Processes in Concrete, Rock and Ceramics.- Proc/ Int. RILEM / ESIS Conf.-1991.-P.183-192.
7. Naumenko V. P., Skrypnyk Yu. D. and Nedelchev N. I. Constraint – dependent fracture toughness of glass and PMMA // Proc. 11 Intern. Conf. On Fracture.-ICF11.-Turin.-2005.-6p.
8. Sih G. C. Fracture mechanics in two decades // ASTM STP 1020.-Philadelphia.-1990.-24.-P.461-475.
9. Schodel M., Zerbst U. Application of the European flaw assessment procedure SINTAP to thin wall structures Analytical assessment levels // Eng. Fract. Mech.-2004.-P.1035-1058.
10. Schwable K-H., Newman J. C. Jr., Shannon J. Jr. Fracture mechanics testing on specimens with low constraint – standardization activities within ISO and ASTM // Eng. Fract. Mech.-2005.-72.-P.557-576.
11. Naumenko V. P. and Atkins A. G. Characterization of the fracture process under biaxial loading // Proc. Of 10 Int. Conf. on Fract.-Honolyly.-2001.-6p.
12. Naumenko V. P., Volkov G. S. and Skrypnyk Ya. D. Assessment of the life cycle for metal sheets under monotonically increased loading // Proc. of the ESIA7, Structural Integrity Assessment for life Cycle Management.-Manchester.-2004.-8p.
13. Naumenko V. P. and Skrypnyk Ya. D. Assessment of steady state tearing in tension – dominant crack geometries // Proc. of 11 Intern. Conf. on Ftacture.-Nurin.-2003-6p.
14. Hetenyi M. Handbook of experimental stress analysis.-New York: John Wiley, 1950.
15. Бриджмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. - М.: Изд-во иностр. лит-ры.-1955.-131с.