книги / Физические основы торможения разрушения

ОГЛАВЛЕНИЕ

4

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ТРАЕКТОРИЕЙ РАЗРУШ ЕНИЯ

ИТОРМ ОЖ ЕНИЕМ ТРЕЩИН

1.Управление трещиной продольными, поперечными и релеевскими упру­

5

Моим родителям посвящаётдя

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня ясно, что трещина, по словам Свифта, — вещь, которой нет, — не просто нежелательна. Она опасна и влечет за собой ката­ строфические последствия, тем более тягостные, что они часто оказываются связанными с человеческими жертвами.

Вначале истории знакомства с разрушением человек ограничи­ вался констатацией его. Затем последовал длительный этап фрактографических «поверхностных» исследований и попыток механи­ ческим путем и термической обработкой упрочнить конструкции. Нужно сказать, что этот период еще не закончен. Однако в послед­ нее десятилетие возникло новое фундаментальное направление, связанное с прогнозированием разрушения и попытками оценить вероятность и условия движения быстрой трещины в реальных металлических конструкциях на основании лабораторных иссле­ дований малых образцов.

Впредлагаемой читателю книге речь идет о следующем этапе — торможении закритической трещины, уже существующей в металле

иприводящей к его разрушению.

Проблема торможения трещин и управления их движением сложна прежде всего с физической и с технической точек зрения. Ведь речь идет о микросекундном временном интервале, огромных скоростях распространения трещин, нередко импульсивном харак­ тере нагружения. И все это при недостаточно надежных и ясных представлениях о природе самого феномена разрушения: от зарождения микротрещин до лавинного их роста, хотя этому посвящены тысячи работ.

Другая сложность проблемы — ее «многоведомственное» под­ чинение. Ведь разрушением интересуются физики, металловеды, специалисты в области механики и горного дела, а также и многие другие. При этом часто отсутствуют единый образ мышления и единая терминология.

Это сдерживает исследования разрушения в целом.

Но, пожалуй, самое сложное в другом. Дело в том, что за десятилетия сложилось представление о невозможности торможе­ ния трещины. Это представление почти никогда открыто не выска­ зывали лишь потому, что слишком редки были попытки «взнуздать» трещину. Однако такая точка зрения всегда существовала и можно сказать, что возник психологический барьер, ограничивающий потенциальные возможности реализации торможения быстрой закритической трещины.

Каковы же принципиально возможные пути предотвращения начавшегося и притом-быстрого распространения трещины? При этом речь не будет идти о конкретных методах.

7

Вероятны два основных направления решения проблемы остановки закритического разрушения: собственно торможение трещины и изменение ее траектории (направление уже развиваю­ щейся трещины по неопасной трассе — управление трещиной).

Для т о р м о ж е н и я трещины можно использовать следую­ щие методы:

1. Релаксация упругого потенциала нагруженной и разрушаю­ щейся системы. Это, в частности, возможно путем моментальной разгрузки системы с растущей трещиной. Метод этот, однако, требует быстродействующих устройств и имеет тот недостаток, что нужно релаксировать все упругое поле. В противном случае, обладая ничтожной инерцией, достаточно хрупкая трещина будет продолжать расти, подпитываясь энергией с неразгруженных участков.

Более оптимален вариант пластического деформирования в вер­ шине трещины, при котором поглощается энергия упруго напря­ женного образца и упругого резервуара нагружающей системы. В связи с этим все способы «пластифицирования» разрушаемого материала, в том числе в вершине трещины, являются целесо­ образными в плане торможения трещины. Сюда, например, можно отнести движение трещины при повышенных температурах, при­ водящих к росту вязкости разрушения и сопротивления движению трещины.

2.Создание протяженных упругих полей союатия. Получаемые чисто механическим способом эти поля могут останавливать трещины с любыми скоростями.

3.Затупление вершины трещины. В статическом варианте — это метод засверловки, широко применяемый на практике для предотвращения дальнейшего роста трещины в листовых мате­ риалах. Есть надежда, однако, что его можно будет использовать

ив динамическом случае. Полезность метода бесспорна, так как

моментальное увеличение радиуса вершины трещины приведет к падению концентрации напряжений и автоматическому росту прочности тела с существующей в нем, но остановленной затуплен­ ной трещиной.

4. Создание барьеров на пути трещины. Эти барьеры могут быть макро- и микроскопическими. К первым относятся разно­ образные границы между слоями в композитных материалах, сварные швы, стрингеры и др.; ко вторым — множественные дефекты в кристаллических телах, например отдельные дислока­ ции и их системы, неметаллические включения, межблочные и межзеренные границы, двойниковые прослойки, полосы и пачкиЪ<ольжения, полосы Бриллиантова—Обреимова, полосы сбросами т. п.

5. Торможение трещин с помощью системы других трещин.

Этот метод основан на том интересном факте, что трещины, будучи достаточно плотно расположены, способны иногда, тормозя друг друга, обеспечивать более высокую прочность тела, нежели любая из них порознь.

8

6. Торможение трещин электрическим и магнитным полями.

Метод связан с широкими возможностями воздействия на быструю трещину в проводящих материалах сильными и сверхсильными магнитными полями. В случае диэлектриков, например галоидных кристаллов, эффективным способом изменения скорости распро­ странения трещины, вплоть до полной ее остановки, является использование мощных электрических полей.

7. Торможение трещин ветвлением. В этом отношении обнаде­ живающими являются по крайней мере два обстоятельства.

Прежде всего, быстрая трещина представляет систему неста­ бильную. Ее склонность постоянно перемещаться в сторону от магистрального направления и крайне низкая инерционность обостряются по мере возрастания скорости распространения и при режимах, близких к ветвлению, делают трещину весьма уязвимой по отношению к любому динамическому воздействию извне. При этом последнее не должно быть большим по мощности и силе. По-видимому, в этих условиях относительно слабое возмущение достаточно для выведения трещины из состояния метастабильного динамического равновесия и легко приводит к ветвлению.

Другим обстоятельством является уменьшение скорости распро­ странения трещины после ’ каждого акта ветвления — иногда с 2000 м/с до полной остановки. Безотносительно к тому, с чем это связано — с возрастанием поверхности разрушения или с измене­ нием углового распределения напряжений в вершине ветвящейся трещины, или с какими-либо иными динамическими процессами — не вызывает сомнения существенная и непропорционально большая потеря энергии из упругого резервуара система нагружения — образец.

Отсюда следует целесообразность насильственного ветвления. Оно может быть реализовано, в частности, динамическим импуль­ сом сжатия, направленным нормально или под углом к трещине. Если бы этим или каким-либо другим импульсным методом нару­ шить стабильность быстро и катастрофически растущей в некото­ рой реальной конструкции трещины и тем самым заставить ее мгновенно разветвиться, то это означало бы потерю ею определен­ ной энергии. Несколько раз последовательно проведенный такой процесс на расстоянии в несколько миллиметров позволил бы остановить любую трещину. Весьма обнадеживающим в этом отношении является то, что в реальных конструкциях использу­ ются сравнительно вязкие стали. В них трещина могла бы быть остановлена после первого — второго акта ветвления в связи с большими энергетическими затратами на пластическую дефор­ мацию.

О каком-бы конкретном методе торможения трещины не шла речь, едва ли не основным может оказаться учет зависимости энергоемкости разрушения от скорости распространения трещины. Ранее [1 ] было показано, что при малых скоростях трещины энер­ гетические затраты на пластическую деформацию в ее вершине

9

велики, а с увеличением скорости они падают, по меньшей мере обратно пропорционально квадрату скорости. В связи с этим ясно, что если трещину притормозить каким-либо способом, усилия на дальнейшее ее продвижение нелинейно возрастут и для ускорения ее потребуется энергия, достаточная для релаксации нагружаю­ щего импульса.

Для у п р а в л е н и я траекторией трещины могут быть применены следующие способы:

1.Стабилизирование трассы трещины. К методам стабилиза­ ции относится создание статических и динамических упругих по­ лей, под действием которых трещина вынуждена распростра­ няться, скажем, прямолинейно. Примером может служить метод Бенбоу—Реслера.

2.Изменение симметрии поля напряжений вокруг трещины.

Это позволяет не только направить трещину в нужном направле­ нии, но и заставить ее потерять равновесие и перейти в нестабиль­ ную стадию. Поэтому в рамках метода существуют следующие его приложения:

а) воздействие на трещину упругих волн и импульсов различ­ ной природы, в том числе продольных, поперечных, изгибных, релеевских и других, созданных взрывом в. в. и тонких проводни­ ков, а также электрогидравлическим ударом;

б) воздействие на трещину термоупругих волн и полей напря­ жений, в частности распределенных статических полей термиче­ ских напряжений, скажем, от сварного шва или наведенных импульсивным тепловым источником;

в) ветвление трещины, поволяющее не только переориентиро­ вать разрушение на углы по крайней мере до 30°, но и погасить его скорость.

кнему, или, наконец, закручивание трещины в виток или спираль.

Вэтом последнем случае эффективная концентрация напряжений будет уже определяться не остротой вершины трещины, а радиусом дуги ее разворота.

Следует еще раз оговорить условность приведенного деления. Это можно видеть, например, из случаев 2, а и 2, б. Под воздей­ ствием упругих волн и термических полей возможно не только изменение траектории распространения трещины, но и ее тормо­ жение.

Говоря о принципиальных основах торможения трещин и упра­ вления разрушением, целесообразно отметить быстротекущий характер и предельную кратковременность процесса разрушения в целом. Это предъявляет особые требования к системам прогнози­ рования и раннего обнаружения минимальных по размерам трещин. Сенсорные системы такого рода должны после фиксирова­ ния появления трещины и ее лоцирования включить некоторые вычислительные устройства, способные оценить не только скорость

10