Солнцев С.С., Морозов Е.М. Разрушение стекла Изд. 3, стереотип.

Оглавление

Введение

До 1930 г. изучением трещин занимались сравнительно мало, так как считалось, что разрушение наступает довольно резко и развитие трещин является, главным образом, кратковременным процессом. Однако в последующие десятилетия эта точка зрения была в корне пересмотрена. Обнаружено, что трещины начинают развиваться задолго до полного разрушения. Это относится не только к усталостному, но и к пластическому и даже хрупкому разрушениям. Так, было показано, что в процессе разрушения силикатных стекол (у некоторых ранее предполагалось практически мгновенное распространение разрушения) скорость развития трещины в начале процесса в 10–100 миллионов раз меньше, чем в заключительной фазе этого процесса.

В современных условиях производства допустимо начальное разрушение конструкционных материалов, поэтому наряду с экспериментальной оценкой чувствительности материалов к трещинам большое значение приобретает также и теоретический анализ развития трещин (механика разрушения).

Изучение процесса разрушения показало односторонность ранее распространенного мнения о сопротивлении отрыву как о постоянной материала и привело к замене схемы одновременного по всему сечению разрушения представлениями о постепенно распространяющейся трещине. При этом более типичным считается развитие трещины из одного (или немногих) центров, а квазиодновременность разрушения (при наличии очень многих очагов) при определении сопротивления отрыву рассматривается как частный случай.

Одновременное разрушение по всему сечению детали определяет "потолок" прочности, т.е. ее значение в идеальных условиях. В этом случае стадия разрушения составляет весьма малую часть процесса деформации детали, а максимальная нагрузка соответствует полному разрушению. Однако в реальных деталях при их изготовлении и эксплуатации в результате наличия надрезов, перекосов, влияния среды и т.п. стадия разрушения (т.е. возникновение и развитие трещины) появляется задолго до исчерпания несущей способности, до максимальной нагрузки, выдерживаемой деталью. При этом прочность материала (детали в идеальных условиях) недоиспользуется или даже не используется вовсе. Длительность процесса роста трещины до полного разрушения занимает значительную часть "жизни" детали, до 90% и больше. Поэтому для повышения прочности не всегда следует стремиться к увеличению среднего сопротивления отрыву – достаточно регулировать процесс появления и в особенности развития трещин. Для этого на пути трещины создают различные препятствия, тормозящие развитие трещин и сигнализирующие об их появлении, а также вводят дополнительные элементы конструкции, воспринимающие часть нагрузки при уменьшении жесткости от возникшей трещины. Для эффективности этих приемов совершенно необходимо развитие методов расчета траектории трещины и связи ее размеров с внешней нагрузкой при одновременном расчете кинематических характеристик движения конца трещины.

Всем этим проблемам посвящены работы Я.Б.Фридмана, которые позволяют по-своему подходить к оценке материалов, разделяя механические характеристики по кинетическим признакам на до- и закритические. С этим также связан большой вклад Я.Б.Фридмана в разработку методов оценки конструкционной прочности материалов и способов, повышающих эту прочность.

Многие материалы, считавшиеся лучшими по характеристи кам sigma_0,2, sigma_в, a_н и т.д. и способам их обработки, оказались недостаточно прочными по сопротивлению развитию трещины, что привело к пересмотру критериев оценки конструкционных мате-риалов. Появилась возможность из двух материалов или ре-жимов обработки с практически близкими упругими и пластическими характеристиками выбрать лучший по сопротивлению развитию трещин.

Несмотря на наличие во всяком реальном материале тех или иных дефектов строения, которые могут являться зародышами разрушения, возможна продолжительная "жизнь" реальных деталей при наличии трещины, если она не развивается или развивается достаточно медленно. Поэтому важное значение приобретают теория развития макроскопических трещин, в особенности с учетом факторов, приводящих к переходу тела из докритического состояния в закритическое, и методика анализа трещин и изломов как средства контроля за разрушением и повышения надежности конструкции. Повышение хладостойкости металлических материалов также в основном связано с увеличением работы на развитие трещины.

В процессе разрушения можно выделить несколько стадий по степени его локальности. Основные из них: микроразрушение (механизм разделения материала) и макроразрушение (развитие имеющейся трещины). Это два различных процесса, для исследования которых требуются разные методы, чтобы обеспечить адекватность явления и метода его изучения. Для изучения макроразрушения разработаны феноменологические методы, которые без ущерба для исследуемых вопросов не учитывают микромеханизм разрушения. В то же время, конечно, следует изучать взаимное влияние микро- и макроразрушения.

Развитие механики разрушения как области научного исследования, которая должна найти непосредственное применение в практике конструкторских бюро и при эксплуатации промышленных объектов, стимулируется тем, что стадия разрушения (трещины) существует задолго до полного разрушения и максимальная нагрузка не всегда соответствует полному разрушению. С этим связана отбраковка изделий по допуску на размер и положение технологических трещин, условия эксплуатации и ресурс изделий, потребность в создании методов расчета конструкций с допущением в них контролируемых трещин.

Можно наметить следующие задачи механики разрушения.

1. Прочность тел с трещинами или динамика трещины. Определение связи разрушающих нагрузок с размерами трещин, параметрами тела, условиями нагружения и характеристиками материала.

2. Кинематика трещин. Определение законов движения конца трещины и фронта поверхности излома для установления скорости и ускорения движения трещин.

3. Геометрия трещин. Определение траектории криволинейных (поверхностных) трещин и поверхностей излома, образующихся в результате развития внутренних трещин. Часть этих задач доведена до расчетного вида.

Проектирование, технология изготовления и эксплуатация инженерных конструкций из стекла тесно связаны с возможностью возникновения разрушения. Процессы образования и развития трещин могут начаться при затвердевании расплава стекломассы, формировании эмалевых покрытий, механической и термической обработке, монтаже, хранении и т.п. Наиболее опасным результатом распространения трещин является полное разрушение стекол и покрытий в процессе эксплуатации.

Закономерности развития трещин и строения изломов в стеклах, ситаллах и эмалях изучены недостаточно. Изучение трещин, как правило, сводится к установлению скорости их распространения в процессе разделения образца стекла на части. По строению излома можно оценить механические свойства стекол.

В последние годы анализу трещин и строению изломов придают новое значение в связи с разработкой методов расшифровки эксплуатационных разрушений изделий из стекла и для экспериментального подтверждения более общих закономерностей развития трещин. Так, анализируя трещины и изломы, можно установить направление главных напряжений, напряженное состояние при разрушении, кинематику роста трещин и последовательность их образования, значения номинальных разрушающих напряжений, очаг разрушения и т.д.

Процесс разрушения делится на несколько стадий, определяемых скоростью роста трещины. При зарождении трещины ее скорость мала. Затем в некоторый критический момент скорость развития трещины настолько велика, что разрушение приобретает катастрофический характер. В соответствии с различными кинетическими периодами на изломе выделяют несколько зон, например зеркальную (соответствует медленному росту трещины), шероховатую и др.

Строение излома зависит от вида напряженного состояния, приложенных нагрузок, прочности стекла. Большой практический интерес представляют сведения о строении изломов у стекол разной прочности.

Многие методы испытаний на разрушение, анализа трещин и строения изломов, необходимое испытательное оборудование разработаны в процессе выполнения исследований.

Силикатные стекла широко применяют в машиностроении, приборостроении, строительстве, авиационной, атомной, электронной и других отраслях промышленности в качестве конструкционных материалов несущих силовых конструкций.

При эксплуатации на изделия из силикатного стекла могут действовать ударные нагрузки, а также статические нагрузки от температурных перепадов и от деформаций конструкций. При этом могут возникать особенно опасные для стекла остаточные растягивающие напряжения.

Сумма остаточных напряжений и напряжений от различных нагрузок обычно не превосходит допустимой величины, поэтому конструкции из стекла успешно выполняют свои функции. В тех случаях, когда при эксплуатации напряжения превышают допустимые значения, происходит разрушение.

Для обеспечения эксплуатационной надежности конструкций из стекла изучают поведение стекол в лабораторных и эксплуатационных условиях.

Высокие технические требования к материалам для эксплуатирующихся и проектируемых конструкций из стекла определяют необходимость выполнения следующих работ в области исследования разрушений прозрачных материалов:

1) определение закономерностей развития трещин и строения изломов в силикатных стеклах;

2) разработка методов расшифровки разрушений;

3) изучение физико-механических характеристик.

Закономерности развития трещин и строения изломов используют для расшифровки разрушений и анализа прочности металлов и органических стекол.

Механические свойства силикатных стекол (особенно при различных температурах) до последнего времени изучали недостаточно.

В известных экспериментальных работах оценено влияние на прочность и разрушение силикатного стекла и керамики временного и масштабного факторов, способа получения и теплового режима, рассмотрены способы повышения прочности и объяснены наблюдаемые при этом явления, изучено влияние напряженного состояния на поведение стекла под нагрузкой и определены скорости распространения трещин.

Прочностные характеристики стекол определяются в основном состоянием испытуемой поверхности образцов. Защита поверхности от внешних повреждений может привести к увеличению временного сопротивления до 500 даН/мм² , т.е. почти до теоретической прочности стекла. Прочность и разрушение зависят от условий деформирования, вида напряженного состояния, размеров образцов, продолжительности нагружения, температуры испытаний, наличия и величины остаточных напряжений.

Трещины в стекле направлены обычно перпендикулярно к максимальным растягивающим напряжениям. Строение изломов стекол имеет закономерный характер в отношении очага разрушения, направления и скорости трещин, вида напряженного состояния. Силикатные стекла разной прочности имеют разное строение изломов. По размерам зеркальной зоны излома можно оценить номинальные разрушающие напряжения.

Картина разрушения стекла в определенной мере характеризует развитие процесса трещинообразования. Поэтому траектории трещин и строение изломов можно использовать для расшифровки и описания разрушений изделий из стекла.

Настоящая книга является результатом экспериментального изучения развития трещин и строения изломов в образцах и конструкциях из силикатных стекол, ситаллов, стеклоэмалей при разных видах напряженного состояния, температурах, состояниях материалов.

Приведенные здесь экспериментальные данные основаны на испытаниях и изучении более чем десятка тысяч образцов различных конструкций из промышленных стекол типа ЛК-5, ВВС, оптических ситаллов и стеклоэмалей.

Об авторах

Доктор технических наук, профессор. Заслуженный изобретатель РСФСР, лауреат премии Правительства Российской Федерации, награжден орденом Дружбы народов, медалями. Президент-академик Межрегиональной академии проблем эмалирования, действительный член Американского керамического общества. В качестве профессора ведет преподавательскую работу в МАТИ. С.С.Солнцев – ученый в области физико-химии и технологии материалов и покрытий на основе стекла и керамики. Является основателем и руководителем ряда высокоэффективных новых научных направлений в области высокотемпературных стеклокерамических материалов и покрытий, разрабатываемых возглавляемой им научной школой, результаты работ которой успешно используются в авиационной, космической и других отраслях новой техники. Автор книг "Защитные покрытия металлов при нагреве" (в соавт. с А.Т.Тумановым, 1976) и "Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали" (1984).

Евгений Михайлович МОРОЗОВ

Доктор технических наук, профессор кафедры физики прочнос-ти Московского инженерно-физического института (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 изданий книг "Кто есть кто". Автор ряда монографий и учебных пособий по механике разрушения, в число которых входят "Метод конечных элементов в механике разрушения" (в соавт. с Г.П.Никишковым, 1980; 2-е изд. URSS, 2008) и "Механика контактного разрушения" (в соавт. с Ю.В.Колесниковым, 1989; 2-е изд. URSS, 2007), а также получившее широкую популярность руководство "ANSYS в руках инженера" (в соавт. с А.Б.Каплуном и М.А.Олферьевой; URSS, 2003, 2004).