Деформация и разрушение металлов (стр. 2 из 4)

±Е= L/r;

где Е – растяжение в выпуклой части и сжатие вогнутой; L – расстояние от нейтральной линии;

r – радиус кривизны;

При достаточно большой толщине слоя L и малом радиусе кривизны r напряжения могут быть выше предела прочности и материал разрушится. Согласно закону Гука можно записать ± ав = E*L/r/. Напряжения, возникающие и материале, выражаются отношением момента изгиба к моменту сопротивления W: аизг= Мизг/Wизг.

Важно установить, насколько полно материал восстанавливает свое первоначальное положение после воздействия нагрузки, не превышающей предела текучести.

Деформация при изгибе

Деформация сдвига. Проявляются в местах заклепочных и других соединений деталей, когда две равные силы действуют в противоположном направлении и лежат в двух близких поперечных сечениях.Деформация сдвига определяется величиной угла т. Если сдвиг частиц тела происходит в одной плоскости, то такая деформация относится к срезу и является частным случаем деформации сдвига. Деформация сдвига связана частично с деформациями кручения и изгиба и, как правило, предшествует срезу. Величина, на которую одно сечение сместилось относительно соседнего, называется абсолютным сдвигом.

Деформация сдвига

Деформация при кручении. Они возможны, например, при ввинчивании винта. Если к стержню, один конец которого закреплен неподвижно, приложить силу, перпендикулярной с оси стержня, то стержень будет испытывать деформацию при кручении. По мере удаления точки от центра напряжения возрастают. [1].

1.3Механизм проявления деформаций

Деформации могут проявляться по-разному, это зависит как от самого материала так и от конструкции. Можно рассмотреть несколько примеров проявления деформации материалов.

Например, для горных пород это:

-набухание и увеличение объема горных пород, как результат упругих деформаций;

-вытекание, как результат ползучести и вязкопластических деформаций;

-образование и распространение глубоких пространственных трещин.

Например, если это какая-то конструкция, то тут присущи такие деформации как:

 усадка;

 изменение относительной влажности воздуха;

 химические взаимодействия, происходящие в бетоне конструкций;

 колебания температуры окружающей среды;

 явление ползучести.

Большинство строительных материалов, в том числе и бетон, имеют сильно развитую и достаточно открытую капиллярно-пористую структуру, благодаря чему могут поглощать влагу из окружающей среды (гигроскопическое увлажнение) либо впитывать (сорбировать) воду при непосредственном соприкосновении с ней.Изменение содержания воды в материале приводит к изменению объема, т.е. к объемным деформациям: при высыхании элемента происходит испарение воды и уменьшение объема, при увлажнении - наоборот.

Под ползучестью конструкций понимают ее способность деформироваться во времени при длительном действии постоянной нагрузки, в том числе и от собственного веса. Физическая природа явления ползучести недостаточно изучена, но считают , что пластические деформации ползучести обуславливаются пластическими свойствами камня . Деформации ползучести наиболее заметно развиваются в начальный период после приложения нагрузки и постепенно затухают. Например, у бетонов наблюдаются в возрасте 5-6 и более лет.

Полная деформация ползучести может значительно превосходить деформации, получаемые бетоном в момент нагружения, иногда превышая их вдвое [2].

2 Разрушение материалов

2.1 Современныепредставления про теориюразрушения материалов

Для различных классов материалов характерны те или иные типы структурных образований, определяющие особенности их деформирования и разрушения. Наряду с физическим исследованием микроструктуры и микроразрушения материалов проводят анализ явления разрушения на основе некоторых моделей, отражающих наиболее существенные стороны этого явления. В настоящее время еще рано говорить о возможностях построения какой-то общей теории разрушения, более известным представляется развитие частных теорий, более или менее хорошо описывающих поведение некоторых классов материалов в определенных условиях.

Разрушение твердого тела почти всегда происходит вследствие развития в нем некоторых поверхностей разрыва смещений. При этом, если реализуется разрыв нормального к поверхности смещения, то говорят о трещине нормального разрыва (отрыва) или просто трещине; если же реализуется разрыв касательного к поверхности смещения, то говорят о трещине сдвига или дислокации. Для роста трещин характерно преимущественное развитие одной наиболее опасной трещины (однако есть исключения, например рост трещин в условиях сжатия, близкого к всестороннему), способность ее к быстрому неустойчивому росту, обычно вызывающему разделение тела на части.

Впрочем, разрушения микронеоднородных тел, прочность не зависит от величины начальной трещины и определяется характерными параметрами структуры тела, например величиной зерна (на это обстоятельство обратил в 1939 г. внимание Г. Нейбер; позже Г. П. Черепанов, 1967).

Исторически теория дислокаций и теория трещин сложились отдельно; различие этих теорий объясняется тем обстоятельством, что в теории дислокаций рассматривают разрывы смещений, а в теории трещин на поверхности разрыва обычно задают силовые условия. Для решения вопроса о развитии трещины это так же важно, как, например, выбор правильного критерия разрушения для гладкого образца. Наиболее просто формулируется условие локального разрушения в теории так называемых квазихрупких трещин, когда наибольший размер области пластических деформаций в рассматриваемой точке контура трещины мал по сравнению с расстоянием этой точки до ближайшей границы тела. Простейший вариант этого условия на основе физических идей А. А. Гриффита и Г. Ней-бера был предложен в 1957 г. Он заключается в том, что коэффициент при особенности напряжений в рассматриваемой точке в момент локального разрушения (и продвижения трещины в этой точке) считается равным некоторой постоянной материала; при этом напряжения вычисляются в идеальной упругости тела.

Были предложены различные модели детального механизма разрушения в конце квазихрупкой трещины. Модель Леонова — Панасюка (1959), предложенная независимо от зарубежных авторов, наиболее проста и универсальна. Согласно этой модели принимается, что на продолжении трещины имеется область ослабленных связей; толщина этой области в рамках теории малых деформаций считается равной нулю. Кроме того, предполагается, что противоположные берега этой области притягиваются один к другому некоторым напряжением, представляющим собой константу материала, а в начале этой области, совпадающей с концом трещины, скачок нормального смещения в момент разрушения становится равным некоторой другой константе материала. Этот критерий может быть применен также к трещинам в упруго-пластических телах.

Подход к описанию развития трещин в произвольных сплошных средах был предложен Г. П. Черепановым (1967). Он основан на энергетической концепции и на представлении о сверхтонкой структуре конца трещины, размер которой мал сравнительно с размером пластической области вблизи вершины трещины.Теория предельного равновесия и теория хрупких трещин составляют основу современной механики разрушения. На основе этих теорий было решено много конкретных проблем большого практического значения. Эти теории дают идеализированное описание свойств пластичности и хрупкости, которые присущи в разной мере всем твердым телам.

2.2 Факторы, которые влияют на разрушение материалов

Существуют такие факторы разрушения материалов: химическое или электрохимическое взаимодействие материалов с коррозионной средой, атмосферная коррозия, подводная коррозия, подземная и промышленная коррозии; трение; старение; трещины; нагрузки.

Разрушение материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. В системе международной стандартизации это понятие несколько шире: физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла или материала, и часто происходит ухудшение функциональных характеристик материала, среды. В результате коррозии образуются новые вещества, включающие окислы и соли коррозирующего материала, это – продукты коррозии. Видимые продукты атмосферной коррозии, состоящие в основном из оксидов железа, называют ржавчиной, продукты газовой коррозии при высоких температурах – окалиной.

К химической коррозии относятся процессы, протекающие при химическом взаимодействии между материалом и агрессивной средой, не сопровождающиеся возникновением электрического тока. Характерной особенностью процесса химической коррозии является образование продуктов коррозии в месте взаимодействия материала с агрессивной средой. По условиям протекания здесь можно выделить: газовую коррозию (коррозия металлов, вызываемая действием паров и газов при высоких температурах) и коррозию в неэлектролитах (коррозия металлов в жидкостях, непроводящих электрический ток).

К электрохимической коррозии, относятся коррозионные процессы, протекающие в водных растворах электролитов, влажных газах, расплавленных солях и щелочах. При электрохимической коррозии процесс растворения металлов сопровождается появлением электрического тока, как в материале, так и в агрессивной среде. При этом электрический ток возникает вследствие процессов коррозии. При электрохимической коррозии одновременно происходит два процесса: окислительный (растворение металла на одном участке) и восстановительный (например, восстановление кислорода). Эти два участка называют анодом и катодом и соответственно различают анодный и катодный процесс.