19 Июль 2016

П.Г. КОМОХОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, Ю.А. БЕЛЕНЦОВ, канд. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения

 

Характер разрушения композиционных материалов определяется его внутренней структурой и текстурой. Структура материала — результат протекания двух противоположно направленных процессов — формирования (самоорганизации) и разрушения. Внешняя энергия, приложенная к образцу, затрачивается на изменение положения структурных элементов, растяжение или сжатие внутренних связей, развитие дефектов и нарушение сплошности структуры материала, что, в свою очередь, приводит к его разрушению. Изучение характера деформирования и разрушения позволяет выделить несколько общих характерных черт:

  • характер разрушения зависит от скорости приложения нагрузки и возраста материала;
  • структура материала характеризуется параметрами регулярности и дефектности, определяющими взаимодействие структурных элементов;
  • материал включает структурные элементы различных геометрических размеров и уровня значимости;
  • в процессе деформирования в зависимости от основных характеристик проявляются упругие, пластические или вязкие свойства и деформации ползучести.

 

Процессы деформирования, трещинообразования и разрушения протекают неравномерно во всем объеме материала. При этом трещины обычно распространяются по направлению действия растягивающих, сдвигающих и скручивающих напряжений.

 

Неоднородность во времени и в объеме процесса деформирования и разрушения материалов можно объяснить, предположив, что перемещение деформаций структурных элементов при приложении нагрузки соответствует движению волны деформаций — смещению фронта развития и передачи деформаций между структурными элементами разного уровня. Схематично это можно представить как передачу внутренних усилий между соседними структурными элементами, как представлено на рис. 1. Для упрощения на схеме структурные элементы моделируются сферическими, а связи представлены упругими элементами.

 

sm_03_06v-2
Рис. 1. Схема взаимодействия структурных элементов при продвижении волны деформаций

 

Учет временного фактора приводит к тому, что волна деформаций распространяется с конечной скоростью, равной приблизительно 2/3—1 скорости звука. В волне деформации движутся со скоростью, сопоставимой со скоростью звука в данном материале [1].

 

Учет волнового характера развития деформаций в материале позволяет увязать этот процесс с характером трещинообразования в материале и во многом объясняет сложность данного процесса. Трещины в зависимости от скорости деформирования и уровня действующих усилий могут медленно затухать или лавинообразно продвигаться. А.В. Саталкин считал, что деформации ползучести и пластические имеют схожий механизм проявления [2]. Сложен и вопрос проявления длительного упругого последействия в материалах, например в бетоне [3].

 

Объяснить это возможно тем, что достижение первичной волной деформирования границы материала приводит к ее отражению с изменением направления продвижения. Схема движения волны деформаций в образце кубической формы представлена на рис. 2. Необходимо выделить первичную волну и отраженные волны, продвижение которых и будет обусловливать развитие длительных, хотя и затухающих, деформаций ползучести, что обусловливается потерей энергии за счет внутреннего трения и развития дефектов. Разрушение материала прекращает процесс деформирования за счет нарушения сплошности структуры при образовании магистральных трещин.

 

sm_03_06v-1
Рис. 2. Схемы продвижения волн деформирования

 

На схеме, приведенной на рис. 2. видно, что волны деформирования двигаются непрерывно, это обусловливает развитие длительных упругих деформаций последействия, ползучести и т. п. Фронт волны, достигнув границы материала, отражается и изменяет свое направление. Отражение волн в разных точках объема приводит к временному отставанию даже вторичных волн, рождающихся в разных точках. Подобный процесс приводит к формированию протяженных опасных зон, в которых встречаются одновременно волны деформаций, что определяет места формирования магистральных трещин, приводящих к разрушению материала. Опасную зону для развития магистральных трещин представляет линия наиболее вероятной встречи отраженных волн деформаций, что будет определять схему разрушения материала. При этом существенное значение будет иметь форма образца, поскольку расположение границ влияет на протяженность и положение опасной зоны, а значит, на скорость продвижения трещин и характер разрушения материала.

 

Отраженные волны продвигаются в направлении, перпендикулярном линии первоначального приложения нагрузки, что вызывает поперечные растягивающие деформации в материале. При этом часть энергии теряется за счет рассеяния, развития дефектов и трещин, что объясняет меньшую предельной величину поперечных деформаций.

 

Часть энергии волны затрачивается на нарушение целостности структуры и развитие дефектов и трещин, а также на запасание энергии упругих деформаций. При накоплении дефектов до критического уровня происходит лавинообразное продвижение трещины, что приводит к разрушению материала. Суммарная энергия волн будет определять постепенно затухающее или лавинообразное развитие трещин, а значит, изменяя скорость продвижения волны в материале, можно регулировать его трещиностойкость, стремясь снизить количество волн, одновременно встречающихся в опасной зоне. Этого же, например, можно добиваться, меняя контуры конструкции, а также изменяя структуру и свойства материалов, вводя демпфирующие добавки.

 

Предположение о волновом характере деформирования связывает этот процесс с трещинообразованием в характерных зонах, а также с нарушением целостности структуры и объясняет его неравномерность во времени и в объеме материала.

 

Список литературы

  1. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т. 1. М.: Наука. 1975. 828 с.
  2. Саталкин А.В., Сенченко Б.А. Раннее нагружение бетона и железобетона в мостостроении. М.: Автотрансиздат. 1956. 250 с.
  3. Гансен Г. Ползучесть и релаксация напряжений в бетоне. М.: Госстройиздат. 1963. 125 с.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»