Перелом - Fracture

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Перелом»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Сентябрь 2010 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Перелом это разделение объекта или материала на две или более части под действием стресс. Разрушение твердого тела обычно происходит из-за развития определенных поверхностей разрыва смещения внутри твердого тела. Если смещение развивается перпендикулярно поверхности смещения, оно называется трещина при нормальном растяжении или просто трескаться; если смещение развивается по касательной к поверхности смещения, оно называется сдвиг трещина, лента скольжения, или же вывих.^[1]

Хрупкий трещины возникают без видимой деформации до разрушения; пластичный трещины возникают, когда видимая деформация действительно возникает до разделения. Прочность на излом или же прочность на разрыв напряжение, возникающее при разрушении или разрушении образца. Детальному пониманию того, как происходит разрушение материалов, может помочь изучение механика разрушения.

Сила

Кривая зависимости напряжения от деформации, типичная для алюминия
1. Предел прочности на растяжение
2. Предел текучести
3. Пропорциональное предельное напряжение
4. Перелом
5. Деформация смещения (обычно 0,2%)

Прочность на излом, также известный как прочность на разрыв, - напряжение, при котором образец терпит неудачу через перелом.^[2] Обычно это определяется для данного образца Тест на растяжку, который отображает кривая напряжение – деформация (см. изображение). Последней записанной точкой является прочность на излом.

Пластичные материалы имеют прочность на излом ниже, чем предел прочности на растяжение (UTS), тогда как в хрупких материалах прочность на излом эквивалентна UTS.^[2] Если пластичный материал достигает предела прочности на разрыв в ситуации с регулируемой нагрузкой,^{[Примечание 1]} он будет продолжать деформироваться без приложения дополнительной нагрузки, пока не разорвется. Однако, если нагрузка регулируется смещением,^{[Заметка 2]} деформация материала может уменьшить нагрузку и предотвратить разрыв.

Типы

Есть два типа переломов:

Хрупкое разрушение

Хрупкое разрушение стекла

Разрушение алюминия шатун велосипеда, где Яркий = хрупкий излом, Темный = усталостный излом.

В хрупкий перелом, не видно Пластическая деформация происходит до перелома. Хрупкое разрушение обычно связано с небольшим поглощением энергии и происходит на высоких скоростях - до 2133,6 м / с (7000 футов / с) в стали.^[3] В большинстве случаев хрупкое разрушение будет продолжаться даже после прекращения нагружения.^[4]

В хрупких кристаллических материалах разрушение может происходить по расщепление в результате растягивающее напряжение действует нормально к кристаллографическим плоскостям с низкой связью (плоскости спайности). В аморфные твердые тела, напротив, отсутствие кристаллической структуры приводит к раковистый перелом, с трещинами перпендикулярно приложенному напряжению.

Теоретическая прочность кристаллического материала (примерно)

${ displaystyle sigma _ { mathrm {теоретический}} = { sqrt { frac {E gamma} {r_ {o}}}}}$

куда: -

Поверхность хрупкого скола излома на растровом электронном микроскопе

${ displaystyle E}$ это Модуль для младших материала,

${ displaystyle gamma}$ это поверхностная энергия, и

${ displaystyle r_ {o}}$ - равновесное расстояние между атомными центрами.

С другой стороны, трещина создает концентрацию напряжений, моделируемую

${ displaystyle sigma _ { mathrm {эллиптический crack}} = sigma _ { mathrm {application}} left (1 + 2 { sqrt { frac {a} { rho}}} right) = 2 sigma _ { mathrm {применено}} { sqrt { frac {a} { rho}}}}$ (Для острых трещин)

куда: -

${ displaystyle sigma _ { mathrm {применено}}}$ напряжение нагрузки,

${ displaystyle a}$ составляет половину длины трещины, а

${ displaystyle rho}$ - радиус кривизны в вершине трещины.

Соединяя эти два уравнения, мы получаем

${ displaystyle sigma _ { mathrm {Fracture}} = { sqrt { frac {E gamma rho} {4ar_ {o}}}}.}$

Присмотревшись, можно увидеть, что острые трещины (небольшие ${ displaystyle rho}$) и большие дефекты (большие ${ displaystyle a}$) оба снижают прочность материала на излом.

Недавно ученые обнаружили сверхзвуковой перелом, явление распространения трещины в материале быстрее скорости звука.^[5] Это явление было недавно подтверждено экспериментом по разрушению резиноподобных материалов.

Основная последовательность типичного хрупкого разрушения: появление дефекта до или после ввода материала в эксплуатацию, медленное и стабильное распространение трещины при повторяющейся нагрузке и внезапное быстрое разрушение, когда трещина достигает критической длины трещины на основе определенных условий. по механике разрушения.^[4] Хрупкого разрушения можно избежать, контролируя три основных фактора: материал вязкость разрушения (K_c), номинальный уровень напряжения (σ) и размер дефекта (а).^[3] Остаточные напряжения, температура, скорость нагружения и концентрации напряжений также способствуют хрупкому разрушению, влияя на три основных фактора.^[3]

При определенных условиях пластичные материалы могут проявлять хрупкость. Условия быстрого нагружения, низких температур и трехосного напряжения могут привести к разрушению пластичных материалов без предварительной деформации.^[3]

Вязкое разрушение

Вязкое разрушение образца, деформированного в осевом направлении

Схематическое изображение стадий пластического разрушения (при чистом растяжении)

В пластичный перелом, обширная пластическая деформация (шею ) происходит до разрушения. Условия разрыв или же вязкий разрыв Опишите окончательная неудача пластичных материалов, нагруженных на растяжение. Высокая пластичность вызывает медленное распространение трещины из-за поглощения большого количества энергии перед разрушением.^[6][7]

Поверхность вязкого излома алюминия 6061-Т6

Поскольку пластический разрыв включает в себя высокую степень пластической деформации, характер разрушения распространяющейся трещины, как смоделировано выше, фундаментально изменяется. Часть энергии от концентраций напряжений в вершинах трещин рассеивается за счет пластической деформации перед трещиной по мере ее распространения.

Основные этапы пластического разрушения - образование пустот, слияние пустот (также известное как образование трещин), распространение трещин и разрушение, часто приводящее к образованию поверхности разрушения в форме чаши и конуса. Пустоты обычно сливаются вокруг выделений, вторичных фаз, включений и на границах зерен в материале. Вязкое разрушение обычно трансгранулярный и деформации из-за вывих скольжение может вызвать срезание кромки, характерное для трещин чашки и конуса.^[8]

Виды и характеристики разрушения

Существуют три стандартных правила определения относительных смещений в упругих материалах для анализа распространения трещин.^[3] как предложено Ирвин.^[9] Кроме того, разрушение может включать равномерную деформацию или комбинацию этих режимов.^[4]

Режимы отрыва трещин разрушения

• Режим я взламываю - Режим открытия (а растягивающее напряжение перпендикулярно плоскости трещины)
• Режим II трещины - Скользящий режим (a напряжение сдвига действует параллельно плоскости трещины и перпендикулярно ее фронту)
• Режим III трещины - Режим отрыва (напряжение сдвига, действующее параллельно плоскости трещины и параллельно ее фронту)

То, как трещина распространяется в материале, дает представление о характере разрушения. При пластическом разрушении трещина движется медленно и сопровождается большой пластической деформацией вокруг вершины трещины. Пластичная трещина, как правило, не будет распространяться, если не будет приложено повышенное напряжение, и, как правило, перестает распространяться при снятии нагрузки.^[4] В пластичном материале трещина может распространяться на участок материала, где напряжения немного ниже, и прекращаться из-за эффекта притупления пластических деформаций в вершине трещины. С другой стороны, при хрупком разрушении трещины распространяются очень быстро с небольшой пластической деформацией или без нее. Трещины, которые распространяются в хрупком материале, будут продолжать расти после возникновения.

Распространение трещины также классифицируется характеристиками трещины на микроскопическом уровне. Трещина, которая проходит через зерна в материале, подвергается трансгранулярному разрушению. Трещина, распространяющаяся по границам зерен, называется межзеренной трещиной. Как правило, связи между зернами материала при комнатной температуре сильнее, чем сам материал, поэтому вероятность трансгранулярного разрушения выше. Когда температура повышается достаточно, чтобы ослабить связи зерен, межкристаллитное разрушение является более распространенным типом разрушения.^[4]

Испытание на излом

Разрушение материалов изучается и количественно оценивается несколькими способами. Разрушение во многом определяется вязкостью разрушения (${ textstyle mathrm {K} _ { mathrm {c}}}$), поэтому для определения этого часто проводят испытания на излом. Двумя наиболее широко используемыми методами определения вязкости разрушения являются: Испытание на трехточечный изгиб и компактное натяжение тест.

Выполняя компактные испытания на растяжение и трехточечный изгиб, можно определить вязкость разрушения с помощью следующего уравнения:

${ Displaystyle mathrm {K_ {c}} = sigma _ { mathrm {F}} { sqrt { pi mathrm {c}}} mathrm {f (c / a)}}$

Где:-

${ Displaystyle mathrm {е (с / а)}}$ уравнение, полученное эмпирическим путем, для определения геометрии тестового образца

${ displaystyle sigma _ { mathrm {F}}}$ напряжение разрушения, а

${ displaystyle mathrm {c}}$ - длина трещины.

Чтобы точно достичь ${ textstyle mathrm {K} _ { mathrm {c}}}$, значение ${ textstyle mathrm {c}}$ должны быть точно измерены. Это делается путем взятия испытательного образца с его изготовленным выемка длины ${ textstyle mathrm {c prime}}$ и обостряя это выемка чтобы лучше имитировать вершину трещины, которая встречается в реальных материалах.^[10] Циклическое предварительное напряжение образца может затем вызвать усталостная трещина который расширяет трещину от изготовленного надреза на длину ${ textstyle mathrm {c prime}}$ к ${ textstyle mathrm {c}}$. Это значение ${ textstyle mathrm {c}}$ используется в приведенных выше уравнениях для определения ${ textstyle mathrm {K} _ { mathrm {c}}}$.^[11]

После этого испытания образец можно затем переориентировать так, чтобы дальнейшее нагружение нагрузки (F) расширило эту трещину и, таким образом, можно было получить кривую зависимости нагрузки от прогиба образца. С помощью этой кривой можно получить наклон линейного участка, который является обратным податливости материала. Затем это используется для получения f (c / a), как определено выше в уравнении. Зная все эти переменные, ${ textstyle mathrm {K} _ { mathrm {c}}}$ затем можно рассчитать.

Хрупкое разрушение керамики и неорганических стекол

Керамика и неорганическое стекло имеют характеристики разрушения, которые отличаются от металлических материалов. Керамика обладает высокой прочностью и хорошо работает при высоких температурах, поскольку прочность материала не зависит от температуры. Керамика имеет низкую ударную вязкость, определяемую испытаниями под действием растягивающей нагрузки; часто керамика ${ textstyle mathrm {K} _ { mathrm {c}}}$ значения, которые составляют ~ 5% от найденных в металлах.^[11] Однако при повседневном использовании керамика обычно подвергается сжатию, поэтому прочность на сжатие часто называют прочностью; эта сила часто может превышать силу большинства металлов. Однако керамика хрупкая, и поэтому большая часть работы направлена ​​на предотвращение хрупкого разрушения. Из-за того, как керамика изготавливается и обрабатывается, в материале часто присутствуют уже существующие дефекты, которые вносят значительную вариативность в хрупкое разрушение по Режиму I.^[11] Таким образом, при проектировании керамики следует учитывать вероятностный характер. В Распределение Вейбулла прогнозирует вероятность выживания части образцов определенного объема, которые выдерживают сигму растягивающего напряжения, и часто используется для лучшей оценки успешности керамики в предотвращении разрушения.

Заметные неудачи переломов

Отказы, вызванные хрупким разрушением, не ограничиваются какой-либо конкретной категорией инженерных конструкций.^[3] Хотя хрупкое разрушение встречается реже, чем другие виды отказов, последствия для жизни и имущества могут быть более серьезными.^[3] Следующие известные исторические отказы были связаны с хрупким разрушением:

• Сосуды под давлением: Великий мелассовый потоп в 1919 г.,^[3] Неисправность резервуара для патоки в Нью-Джерси в 1973 году^[4]
• Мосты: Мост на Кинг-стрит обвал пролета 1962 г., Серебряный мост крах 1967 года,^[3] частичный отказ Хоанский мост в 2000 г.
• Корабли: Титаник в 1912 г.,^[4] Корабли свободы во время Второй мировой войны,^[3] СС Скенектади в 1943 г.^[4]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Алиреза Багер Шемирани, Хаери, Х., Сарфарази, В., Хедаят, А., Обзорная статья об экспериментальных исследованиях отказов нестабильного соединения.Геомеханика и инженерия. 13, № 4, (2017), 535–570, [1]
• Дитер, Г. Э. (1988) Механическая металлургия ISBN  0-07-100406-8
• А. Гарсимартин, А. Гуарино, Л. Беллон и С. Сильберто (1997) "Статистические свойства предшественников разрушения". Physical Review Letters, 79, 3202 (1997).
• Каллистер-младший, Уильям Д. (2002) Материаловедение и инженерия: Введение. ISBN  0-471-13576-3
• Питер Рис Льюис, Колин Гагг, Кен Рейнольдс, CRC Press (2004), Криминалистическая инженерия материалов: примеры из практики.

внешняя ссылка

• Виртуальный музей неудачных продуктов на http://materials.open.ac.uk/mem/index.html
• Разрушение и реконструкция глиняной чаши
• Вязкое разрушение