|
Оглавление
Предисловие
Среди интенсивно развивающихся направлений заметно выделяется направление, связанное с изучением процессов разрушения, а также с контактными взаимодействиями, вдавливанием, изнашиванием и др. Это направление названо механикой контактного разрушения и обобщено в монографии [130J. Материал настоящей книги в значительной мере опирается на упомянутое издание и его литературные источники (ссылки на монографию [130] часто подразумевают ее список литературы), с момента выхода которого прошло достаточно много времени для пересмотра, переработки и расширения содержания, главным образом за счет более детального анализа методом конечных элементов (МКЭ) напряжений при контактировании и эволюции повреждаемости поверхностных слоев материала и других явлений прикладного характера. Содержание предлагаемой читателю книги ограничено рамками континуальной механики без рассмотрения, возможно, активно идущих процессов на молекулярно-структурном уровне. При назначении границ применимости различных континуальных подходов и соответствующих критериев разрушения использованы некоторые основные результаты физических подходов, изучающих изменения и разрушение элементов структуры материала. Изложены результаты исследования повреждений деталей и узлов при комплексном воздействии: объемном напряженно-деформированном состоянии (НДС) и поверхностном, вызывающем износоконтакгные повреждения различного характера. Единство многообразных точек зрения на эти явления поддерживает трибофатика, делающая пока еще начальные, но уже вполне уверенные шаги. Предложено одно из направлений развития подобных исследований на основе дискретного численного моделирования комплекса повреждений. Этот подход можно рассматривать как попытку распространения принципов МКЭ на моделирование повреждения объекта от комплекса воздействий с оценкой по системе критериев отказа. Многообразие методов, точек зрения и взаимодействующих процессов, затронутых в настоящей книге, велико настолько, что авторы сознают неизбежность недостатков, замечания по которым будут с благодарностью приняты. Авторы глубоко признательны В.М.Александрову и В.И.Сакало за внимательное и плодотворное рецензирование рукописи книги, И.Н.Свинаревой и С.А.Юдиной за подготовку компьютерного варианта рукописи, а также Ю.С.Карчиго и А.Ю.Ярмольчуку за изготовление компьютерной графики. Введение
Создание конструкций, обладающих высокой прочностной надежностью при малой материалоемкости, невозможно без расчетов на прочность с учетом исходной дефектности материала. На базе уточнения физических и механических представлений о механизмах разрушения твердых тел сформировался раздел механики деформирования твердого тела, получивший название механики разрушения. Общепризнано, что более 80 % случаев выхода из строя машин, механизмов и устройств обусловлено процессами, происходящими в зоне контакта соприкасающихся твердых тел. Известно, что при достижении определенного значения нагрузки или при многократном ее приложении в зоне контакта двух соприкасающихся тел может начаться процесс разрушения: сначала локальный, а затем катастрофически развивающийся. Особенно часто наблюдается такое разрушение у твердых и сверхтвердых материалов, обладающих значительной хрупкостью. В ряде случаев оно играет положительную роль, например, в различных технологических процессах обработки материалов (дробление, измельчение, резание). Однако в большинстве случаев (абразивное, эрозионное и другие виды изнашивания, контактное ударное нагружение) оно может явиться причиной поломки отдельной детали или конструкции в целом. Исследования в направлении механики контактного разрушения основаны на изучении поведения поверхностных слоев материалов при вдавливании одного тела (инденггора) в другое с использованием достижений механики трещин. Изучение контактного разрушения имеет большое научное и практическое значение. Эксперименты по контактному разрушению можно рассматривать как пробы поверхностной прочности материала, в которых участок поверхности нагружается контролируемым образом. Испытания на сопротивление контактному разрушению могут использоваться для оценки характеристик трещиностойкости материала так же, как большинство экспериментов по измерению твердости коррелируют с критериями пластического деформирования материала. Экспериментально можно определять следующие важные характеристики ряда материалов и их состояний: вязкость разрушения поверхностных слоев; энергию поверхностного разрушения; скорость роста поверхностных трещин; плотность поверхностных дефектов; остаточные напряжения и др. Теоретический анализ явлений позволяет создавать модели абразивного, эрозионного и других видов изнашивания поверхности. В свою очередь развитие методов расчета оценки поверхностной прочности является необходимой предпосылкой разработки более высокопрочных материалов. Возникновение механики контактного разрушения неразрывно связано с историей контактной механики [130]. В 1881 г. Герц рассмотрел случай упругого контакта шара с шаром и с полупространством под действием нормальной силы, указал на физическое значение твердости, анализируя упругий контакт твердых тел, и качественно описал возникновение конических трещин, зарождающихся в стекле вокруг контактной площадки при некоторой критической нагрузке. В 1891 г. Ауэрбах установил связь между радиусом сферического индентора и критической нагрузкой, вызывающей возникновение конических трещин в стекле. В 1919 г. Раман изучал фигуры контактного разрушения и фотографировал их в отраженном свете, а затем применил для этих целей интерференционный метод. А.Далладай и Ф.Твиман в 1921 г. изучали поля напряжений в поляризационном свете при вдавливании алмазного наконечника в стекло и выявили существование пластического течения в этом, обычно хрупком материале. В 1921–26 гг. Ф.Престон впервые использовал выдвинутые Гриффитсом идеи для качественного описания характера контактного разрушения стекла. В 1930 г. Эндрюс продолжил и расширил эксперимент Рамана по ударному контактному разрушению стекла. В 1930–40 гг. под руководством В.Д.Кузнецова были проведены широкие экспериментальные исследования по изучению контактного разрушения на монокристаллах щелочных галогенидов с учетом их анизотропии. Проводились также исследования по поверхностной трещиностойкости твердых сплавов. В послевоенное время С.В.Пинегин в Институте машиноведения начал широкий цикл исследований по контактной прочности закаленных сталей и других твердых материалов. В 1956 г. Рослер впервые сделал попытку количественно оценить поверхностное разрушение стекла при вдавливании шара с использованием результатов Герца и Гриффитса. Теоретические работы этого направления были начаты Г.П.Черепановым и Г.И.Баренблаттом. Первая теория герцевского разрушения была разработана Фрэнком и Лоуном лишь в 1967 г. В 1975 г. Б.Лоун и Т.Уилшоу сделали тщательный анализ всех проведенных исследований и определили перспективные проблемы. С появлением их публикации можно, повидимому, рассматривать становление механики контактного разрушения как самостоятельное научное направление. При контактном взаимодействии твердых тел характерна геометрическая локализация (в области под контактом) всех видов деформаций и разрушения, а именно упругой и пластической, зарождения и распространения трещин. И если обычно механика разрушения занимается длинными трещинами (макротрещинами), то здесь нельзя обходить вниманием вопросы зарождения и развития коротких трещин. Кроме того, создаваемые под индентором большие сжимающие гидростатические давления влияют на свойства материала. Например, хрупкие в обычных условиях нагружения материалы пластически деформируются под индентором. У границ таких зон появляются трещины, развивающиеся затем в зонах со сравнительно невысокими растягивающими напряжениями. Это предопределяет возможность использования аппарата линейной механики разрушения для изучения процесса контактного разрушения. Кроме того, при контактном разрушении могут образоваться несколько систем близко расположенных и взаимовлияющих трещин. Наконец, в этом процессе важен путь (траектория) трещины, поскольку напряженное состояние существенно неоднородно, а траектория трещины определяет размеры фрагментов материала при отколе. Таким образом, многие вопросы механики сплошной среды, механики материалов и механики разрушения взаимосвязаны в задачах контактного взаимодействия и разрушения. Об авторах
 Морозов Евгений Михайлович Доктор технических наук, профессор кафедры физики прочности Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Известный ученый в области механики разрушения и прочности твердых тел, один из инициаторов развития механики разрушения в нашей стране. Лауреат премии Совета Министров СССР, заслуженный деятель науки РФ. Включен в ряд англо- и русскоязычных книг «Кто есть кто». Кембриджским биографическим центром внесен в книгу «Outstanding scientists of the 21st century».
Автор нескольких монографий и учебных пособий, в число которых входят «Механика контактного разрушения» (в соавт. с Ю. В. Колесниковым), «Контактные задачи механики разрушения» (в соавт. с М. В. Зерниным), «Разрушение стекла» (в соавт. с С. С. Солнцевым), «Метод конечных элементов в механике разрушения» (в соавт. с Г. П. Никишковым), «Механика упругопластического разрушения» (части I и II, в соавт. с В. З. Партоном), «Прочностной анализ: ФИДЕСИС в руках инженера» (в соавт. с В. А. Левиным и А. В. Вершининым; все — М.: URSS), «Механика разрушения: Курс лекций» (в соавт. с В. М. Пестриковым; СПб., 2012), а также получившие широкую популярность руководства «ANSYS в руках инженера: Практическое руководство» (в соавт. с А. Б. Каплуном и М. А. Шамраевой), «ANSYS в руках инженера: Механика разрушения» (в соавт. с А. Ю. Муйземнеком и А. С. Шадским), «ANSYS в руках инженера: Температурные напряжения» (в соавт. с А. С. Шадским, К. Н. Жековым и А. С. Плотниковым; все — М.: URSS).  Зернин Михаил Викторович В 1979 г. окончил Брянский институт транспортного машиностроения (ныне — Брянский государственный технический университет). Кандидат технических наук (1989 г.), завершает диссертацию на соискание степени доктора технических наук. В настоящее время работает в БГТУ доцентом на кафедрах «Динамика и прочность машин» и «Информатика и программное обеспечение». Автор около 100 научных и учебно-методических трудов, многие его статьи опубликованы в центральных журналах, таких как «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Трение и износ» и др.
Основное направление научных интересов М. В. Зернина связано с расчетно-экспериментальными исследованиями узлов трения, в частности — подшипников скольжения, при проявлении комплекса повреждающих факторов. Им выполнен большой объем экспериментальных исследований свойств баббитов на основе олова. В настоящее время разрабатывается информационная система для оценки работоспособности трибоузлов по комплексу критериев предельных состояний. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
