Деякі критерії механіки руйнування за квазістатичного навантаження матеріалів

Руйнування ‒ це один із видів порушення міцності конструкції чи окремого її елемента внаслідок надмірної (пружної чи пластичної) деформації, або втрати стійкості, чи розділення на окремі частини. Руйнування може бути частковим або повним. У першому випадку в тілі виникають тріщини чи розподілені в його об’ємі інші дефекти структури, що погіршують механічні властивості матеріалу. За повного руйнування матеріалу тверде тіло розділяється на частини.

У механіці руйнування матеріал часто розглядають як однорідне ізотропне середовище. Тріщини у початковому стані приймають за розриви матеріалу, бокові поверхні яких (береги) розділені нескінченно малою віддаллю, а вершини мають нескінченно гостру форму. Лінійна механіка руйнування, окрім того, передбачає лінійно-пружні властивості матеріалу. Це положення для металів виконується лише наближено, оскільки під час їх навантаження у вершинах тріщин матеріал завжди деформується пластично, тобто виникають пластично деформовані зони. Пружно-пластична (нелінійна) механіка руйнування допускає не лише великі пластично деформовані зони у вершинах тріщин, але й повне пластичне руйнування матеріалу.

Залежно від орієнтації навантаження відносно напрямку поширення тріщини в механіці руйнування виділяють такі три основні механізми її росту: тріщина нормального відриву, поперечного та поздовжнього зсувів.

Руйнування розділяють на пластичне, крихке та втомне.

Пластичне відбувається після суттєвої пластичної деформації, яка протікає по всьому (або майже всьому) об’єму тіла. Різновид пластичного руйнування ‒ розрив зразка після 100%-го звуження шийки під час розтягання, що виникає у результаті втрати матеріалом здатності чинити опір пластичній деформації.

Крихке зумовлене поширенням магістральної тріщини після макроскопічно незначної пластичної деформації, що зосереджена у приповерхневій зоні тріщини. За ідеального крихкого руйнування пластична деформація відсутня.

За квазікрихкого (квазіпружного) руйнування існує пластична зона перед фронтом тріщини і матеріал пластично деформований (наклепаний) біля поверхні тріщини. Решта об’єму тіла (значно більше) перебуває у пружному стані. Квазікрихким ще називають руйнування, коли напруження в нетто-перерізі вищі за межу текучості, але нижчі за межу міцності.

Втомне руйнування протікає за циклічного (повторного) навантаження тіла у результаті накопичення в ньому незворотних пошкоджень, що призводять до утворення і розвитку тріщин. Втомний злам матеріалу макроскопічно крихкий, однак біля поверхні зламу матеріал завжди наклепаний.

Розрізняють багатоциклова та малоциклову втоми. Перша, яку ще називають просто втомою, характеризується номінальними напруженнями, які менші за межу текучості і їх повторна поява у деформованому твердому тілі викликає в ньому макродеформування у пружній області. Під час багатоциклової втоми здійснюють досить велику кількість циклів навантаження до руйнування.

Малоциклова втома (або повторне статичне навантаження) характеризується номінальними напруженнями, які вищі за межу текучості, і під час кожного циклу навантаження у тілі виникає пластична деформація. Тут кількість циклів навантаження до руйнування порівняно невелика.

Найважливіший постулат у механіці руйнування твердого тіла ‒ трактування руйнування як процесу зародження та розвитку тріщин. Таке твердження відрізняється від класичних підходів тим, що передбачає вже механізм самого руйнування, а тріщина стає тим інструментом, за допомогою якого воно здійснюється. Звідси і важливість проблем гранично рівноважного стану деформованих твердих тілах з тріщинами, розвитку тріщини під час короткотривалої чи тривалої дії на тіло заданого навантаження та робочого середовища, а також визначення характеристик опору матеріалу поширенню в ньому тріщин (характеристик тріщиностійкості матеріалу) тощо.

Такий класичний підхід до матеріалів, що знаходяться у крихкому стані та в структурі яких є гострокінцеві дефекти типу тріщин, не дозволяє розв’язати задачу про їх міцність, оскільки не враховує особливий напружено-деформований стан матеріалу біля вершини гострокінцевого дефекту ‒ тріщини під час деформування тіла. Це зумовлено тим, що радіус заокруглення вершини такого концентратора напружень сумірний з параметрами структури самого матеріалу.