книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

В. М. ФИНКЕЛЬ

ФИЗИКА РАЗРУШЕНИЯ

РОСТ ТРЕЩИН В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МЕТАЛЛУРГИЯ»

МОСКВА . 1970

УДК 669 : 539.4.01

Физика разрушения. Ф и и к е л ь В. М. Изд-во «Металлургия», 1970, 376 с.

Приведены сведения по кинетике распростране­ ния быстрых и медленных трещин в твердых телах. Определены предельные скорости разрушения. Рас­ смотрены экспериментальные методы, позволяющие регистрировать процесс роста трещин при любых ее скоростях.

Предназначается для широких кругов инженернотехнических и научных работников металлургической, машиностроительной, авиационной, оборонной и судо­ строительной промышленности.

Может быть полезна студентам, специализирую­ щимся в области металловедения, металлофизики, ме­ ханики.

Илл. 131. Табл. 12. Библ. 651 назв.

ФИНКЕЛЬ Виктор Моисеевич

ФИЗИКА РАЗРУШЕНИЯ

Редактор издательства Л. М. Гордон

Технические редакторы В. В. Быкова и Л . В. Добужинская

Переплет художника В. Ю. Марковского

Сдано в производство ЗО/ХН-69 г. Подписано в печать 3/VI-70 г. Бумага типографская № 2 60x90*/i6—10,75-Ь 1 л. на мел. бум.— -11,75 бум. л. Печ. л. 23,50. Уч.-изд. л. 22,05. Заказ № 150.

Т-08851. Изд. № 5353. Тираж 5300 экз. Цена 2 р. 41 к.

Издательство «Металлургия». Москва, Г-34, 2-й Обыденский пер., 14.

Ленинградская типография № 8 Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР

Ленинград. Прачечный пер., л. 6.

3-11

91-70

5

6

7

ВВЕДЕНИЕ

Основное содержание предлагаемой монографии — изложе­ ние некоторых кинетических проблем прочности, прежде всего вопросов, относящихся к основным закономерностям и особен­ ностям процесса собственно разрушения, т. е. роста трещины.

Автор полагает, что последняя стадия разрушения — стреми­ тельный рост магистральной трещины не является «агонией» металла и в принципиальном отношении может быть приоста­ новлена.

Проблема разрушения, освещенная для различных условий нагружения во многих монографиях и обзорах, представляет сложный комплекс научных и технических вопросов. Одним из наиболее важных направлений, способствующих развитию пред­ ставления о природе разрушения, является изучение завершаю­ щего этапа нагружения — распространения разрушающей тре­ щины. Это направление, начало которому положил Гриффитс, продолжил затем ряд исследователей, в частности Орован и Ирвин. В Советском Союзе на математическом фундаменте, по­ строенном Г. В. Колосовым и Н. И. Мусхелишвили, оно разви­ валось С. А. Христиановичем, Г. И. Баренблаттом, М. Я. Леоно­ вым, Г. П. Черепановым, В. В. Панасюком и многими другими. Определенный прогресс в экспериментальной области достигнут благодаря работам Я. Б. Фридмана с сотр., которые изучали взаимосвязь кинетики разрушения с условиями нагружения и запасом упругой энергии.

Вместе с тем широко распространенное мнение об обречен­ ности металла с растущей в нем трещиной и значительные экспе­ риментальные трудности, связанные с регистрацией быстрых тре­ щин, привели к относительно малому количеству исследований

9

вэтой области, совершенно несоизмеримому с числом работ по прочности вообще и с требованиями, предъявляемыми со сто­ роны высокоразвитой теории этого вопроса к эксперименту.

Учитывая, что кинетика процесса распространения трещины связана с самими основами теории прочности и разрушения твердых тел, представляется исключительно важной-информация о микроскопических и феноменологических особенностях движе­ ния трещины.

Вэтом отношении оказываются интересными дислокацион­ ные механизмы зарождения и докритического подрастания мик­ ротрещин, скорости и ускорения трещин при их распространении

всталях, стекле, полимерах и монокристаллах. Имеют принци­ пиальное значение предельные скорости перемещения трещин, способность двигаться скачкообразно, акустические явления при разрушении.

Совершенно недостаточно освещены в литературе ветвление, зависимость морфологии поверхности разрушения от режима роста трещин, равновесие систем трещин и их образование,

вчастности при плазменном поражении. Заслуживают внимания

итакие вопросы, как торможение трещины, и в докритическом состоянии, когда это просто, и в закритическом, когда лавинное распространение хрупкой трещины превращает вопрос если не

впроблематический, то безусловно в чрезвычайно сложный тех­ нически.

Очевидная научная значимость приведенных выше направле­ ний сочетается с тем, что понимание кинетики разрушения и знание основных параметров роста трещины является уже сего­ дня желательным, а завтра, по мере роста скоростей машин и процессов, — крайне необходимым для задач конструирования.

Монография основана на широком круге работ отечественных

изарубежных авторов, а также на экспериментальных резуль­ татах, полученных на кафедре физики и в проблемной лабора­ тории физики металлов Сибирского металлургического института между 1956 и 1969 годами. Поэтому настоящая работа не была бы выполнена и написана без участия, внимания и помощи това­ рищей и учеников автора: И. А. Куткина, Л. Б. Зуева, В. А. Зрайченко, Г1. И. Кротенка, А. М. Савельева, 3. А. Масловской,

В.Н. Гурария, С. В. Серебрякова, Н. И. Воронова, В. Н. Бере­ зовского, В. Ф. Белорукова, Н. И. Алюшиной. Всем им автор приносит искреннюю признательность.

ошибками. Автор заранее благодарен за все замечания по работе.

Г Л А В А I

ОБРАЗОВАНИЕ ЗАРОДЫШЕВЫХ ТРЕЩИН

. . .Чтоб слитое в одном великая Природа Разъединенным приняла.

Шарль Бодлер

Мгновенная встреча, завязка, разрыв.

Рабиндранат Тагор

1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Представление о микротрещине как источнике последующего разрушения начало формироваться с известных работ Гриф­ фитса. Однако он предполагал ее конфигурацию в форме эллипса. П. А. Ребиндер ввел понятие клиновидной трещины с устьем, сходящим до межатомного расстояния [1, 2]. Эта точка зрения оказалась плодотворной и в последующем не оспарива­ лась.

Известно, что зарождение микротрещин не может быть свя­ зано с упругим деформированием. Во всяком случае, в настоя­ щее время нет данных, которые позволили оы сделать противо­ положный вывод. В работах А. Н. Орлова и Ю. М. Шишкина [3, 4] рассматривался вопрос о существовании трещины в отсут­ ствие пластической деформации. Авторы пришли к заключению, что образование устойчивой трещины в идеальной кристалличе­ ской решетке невозможно: для этого необходима пластическая деформация, способная стабилизировать микротрещину.

В принципиальном отношении существующие сегодня взгляды не претерпели изменений с того времени, как А. В. Степанов [5] выдвинул известное положение об ответственности пластической деформации за возникновение микротрещин. Однако развитие дислокационных представлений позволило количественно их сформулировать. Суть вопроса состоит в том, что на самых ран­ них стадиях пластического деформирования взаимодействие дислокаций приводит к образованию микрощели атомного мас­ штаба. Предложено довольно много дислокационных механиз­ мов и они весьма разнородны. Эти механизмы неоднократно классифицировались, например, Б. И. Смирновым и В. Д. Ярошевичем [6], В. С. Ивановой [7, 8], В. И. Трефиловым [9].

11