Введение

Раскол материалов или конструкций под нагрузкой – наука о разрушениях.

Разрушение – это появление трещины или полное разделение объекта или материала на две или более частей под действием напряжения. Разрушение твердого тела обычно происходит из-за развития определенных поверхностей разрыва внутри тела. Если смещение развивается перпендикулярно поверхности, это называется нормальной трещиной или просто трещиной; если смещение развивается тангенциально, это называется сдвиговой трещиной, полосой скольжения или дислокацией. Хрупкое разрушение происходит без видимой деформации перед разрушением. Пластичное разрушение происходит после видимой деформации. Прочность при разрушении, или предел прочности при разрушении, – это напряжение, при котором образец разрушается или ломается. Детальное понимание того, как происходит и развивается разрушение в материалах, является предметом механики разрушения.

Сила

Прочность при разрушении, также известная как предел прочности при разрушении, – это напряжение, при котором образец разрушается при хрупком или вязком разрушении. Обычно она определяется для данного образца посредством испытания на растяжение, которое строит диаграмму "напряжение-деформация" (см. рисунок). Последняя зафиксированная точка и является пределом прочности при разрушении. Для пластичных материалов предел прочности при разрушении ниже, чем предел прочности на разрыв (UTS), в то время как для хрупких материалов предел прочности при разрушении эквивалентен UTS. (для более свежих обсуждений). Подобные наблюдения были сделаны Галилео Галилеем более 400 лет назад. Это проявление экстремальной статистики разрушения (больший объем образца может содержать более крупные дефекты из-за кумулятивных флуктуаций, где зарождаются разрушения и снижается прочность образца).

Типы

Существует два типа разрушений: хрупкое и пластичное, соответственно, с разрушением без или с предварительной пластической деформацией.

Керамика и неорганическое стекло

Керамика и неорганические стекла демонстрируют поведение при разрушении, отличающееся от поведения металлических материалов. Керамика обладает высокой прочностью и хорошо работает при высоких температурах, поскольку прочность материала не зависит от температуры. Керамика имеет низкую вязкость разрушения, определяемую при испытаниях на растяжение; часто значения для керамики составляют около 5% от значений для металлов. В повседневной эксплуатации керамика обычно испытывает сжимающие нагрузки, поэтому прочность на сжатие часто называют просто прочностью; эта прочность часто превосходит прочность большинства металлов. Однако керамика является хрупким материалом, поэтому большая часть исследований направлена на предотвращение хрупкого разрушения. Вследствие особенностей производства и обработки керамики, в материале часто присутствуют дефекты, приводящие к высокой степени вариативности при хрупком разрушении по типу I. Система состоит из большого числа параллельных пружин Гука одинаковой длины, каждая из которых имеет одинаковую жесткость. Однако, они имеют разные напряжения разрушения. Все эти пружины подвешены к жесткой горизонтальной платформе. Нагрузка прикладывается к горизонтальной платформе, соединенной с нижними концами пружин. Если нижняя платформа абсолютно жесткая, нагрузка в любой момент времени распределяется равномерно (независимо от количества сломанных пружин или волокон и их местоположения) между всеми сохранившимися пружинами. Этот режим распределения нагрузки называется режимом равномерного распределения нагрузки. Нижняя платформа также может рассматриваться как обладающая конечной жесткостью, что приводит к локальной деформации платформы в местах разрушения пружин, и соседние сохранившиеся пружины вынуждены нести большую часть нагрузки, переданной от разрушенной пружины. Предельным случаем является модель локального распределения нагрузки, при которой нагрузка разрушенной пружины или волокна распределяется (обычно равномерно) между ближайшими сохранившимися соседними пружинами. Наиболее часто используемыми численными методами являются метод конечных элементов и метод граничных интегральных уравнений. Другие методы включают согласование напряжений и перемещений, а также продвижение трещины по элементам, причем последние два относятся к традиционным методам в вычислительной механике разрушения.

Метод конечных элементов

Структуры разделяются на дискретные элементы типов: одномерные стержни, двумерные элементы плоского напряжения или плоской деформации, трехмерные кирпичи или тетраэдры. Непрерывность элементов обеспечивается узлами.

Метод пограничного интегрального уравнения

При этом методе поверхность разделяется на две области: область, где заданы перемещения Su, и область, где заданы усилия сцепления ST. При заданных граничных условиях напряжения, деформации и перемещения внутри тела теоретически могут быть определены, а также усилия сцепления на Su и перемещения на ST. Это очень эффективный метод для определения неизвестных усилий сцепления и перемещений.