Механика контактного разрушения. Студентам и школьникам книги по механике разрушения

§ 4. Контактное взаимодействие при ударе Тензор напряжений в потоке гранулированной среды [см. Сэвидж С. Джефри Д. Тензор напряжений в потоке гранулированной среды. В сб. Механика гранулировенных сред. Механика быстрых движений. –М,: Мир, 1985, стр. 147…170 ] Тензор – оператор, преобразующий векторы в векторы. Определить тензор означает задать правила, по которым работает оператор (, где — оператор. A В работе Сэвиджа С. и Джефри Д рассмотрены макроскопические напряжения, возникающие в дисперсной среде, состоящей из твердых упругих сферических частиц и подвергающейся объемному деформационному движению. При этом влиянием межчастичной жидкости (газа) на создание этих напряжений пренебрегается. Установлено три основных действующих механизма с помощью которых могут быть созданы макроскопические напряжения: сухое трение, преренос количества движения за счет относительного перемещения частиц, перенос количества движения за счет столкновений частиц между собой. Хотя все три механизма могут сосуществовать при некоторых режимах течения, один из них играет преобладающую роль. При высоких концентрациях твердой фазы и низких скоростях сдвига частицы находятся в плотном фрикцуионном контакте, эффекты инерции гранул являются малыми, а напряжэения квазистатические, не зависящие от скорости, кулоновского типа и описаны в литературе по механике грунтов , имеющей дело с сухими несвязанными гранулированными материалами, подобными песку. При очень малых концентрациях и высоких скоростях сдвига гранулированный материал ведет себя как разреженный газ. Средняя длина свободного пробега велика по сравнению с диаметром частици касательное напряжение, например, возникает в резултате чатицами между смежными слоями «жидкости» (газа), движущимися при различных скоростях. Если концентрация, а также скорость сдвига умеренно высоки, ситуация аналогична движению простой жидкости, в которой обмен количеством движения обусловлен главным образом непрерывным действием межмолекулярных сил . Механикагранулированных сред подобна модели твердых сфер используемой в теориях статистической механики жидкого состояния, в которых межмолекулярных силы являются импульсными и обусловлены столкновениями частиц. Третий режим движения, характеризуемый преобладанием инерции гранул межчастичсная несущая среда — «жидкость» (газ) в механизме создания напряжений играет второстепенную роль, а доминирующие эффекты возникают вследствие столкновения частиц. Бэнгольд доказал [ см. источн], что основным механизмом переноса количества движения в спутном потоке является последовательность скользящих столкновений, т. к. nike air max femme частицы одного слоя «догоняют» частицы смежного слоя. Как изменение количества движения во время простого столкновения, так и скорость при которой имеет место столкновение, пропорциональны относительной скорости этих двух слоев.Таким образом, касательные и нормальные напряжения в этой области меняются как квадрат скорости сдвига. Бэнгальд также нашел, что значение напряжений сильно ворастает с увеличением концентрации твердой фазы, в особенности при высоких концентрации, прближающихся к максимально возможной объемной концентрации твердой фазы. Высокая концентрация твердой фазы исключает возможность перемещения частиц между смежными сдвиговыми слоями. С другой стороны, высокие значенияч концентраций при высоких скоростях сдвига обеспечивает кратковременные столкновения частиц исключая механизм сухого контактного трения уменьшая промежутки времени проявления межанизма сухого контактного трения. Несколько иной механизм создания напяжений имеет место во встречных потоках газовзвеси. … В ряде случаев контактирование твердых тел происходит при динамическом, в частности ударном, нагружении. Динамичность нагружения характеризуется либо скоростью удара v или скоростью деформации έ, либо скоростью напряжения , которая зависит от скорости приложения нагрузки. Между скоростью удара и скоростью деформации существует степенная зависимость. При упругопластическом деформировании материалов в условиях динамического нагружения могут происходить изменения механических свойств, особенно предела текучести σ т. Зависимость σ т от скорости деформации освещена в монографии . Упругий удар. При упругом ударе твердых тел изменений в механическом поведении контактирующих материалов не происходит, однако рассмотрение этой задачи имеет практическое значение по следующим причинам. Реальное контактирование всегда носит упругопластический характер, и для рассмотрения этого сложного варианта необходимо, прежде всего, знать, как ведет себя контакт в упругом случае. Кроме того, если первоначально упругопластический контакт подвергнуть воздействию нагрузок, меньших по величине, чем предыдущие, то поведение контакта также будет упругим. Согласно Герцу, при анализе упругого соударения считают, что соотношение между контактной силой Р и сближением h остается при ударе таким же, как и в статике. Это соотношение можно представить в виде Р = kh 3/2 (1.63) где величина к на основании (1.10) определяется выражением Если внедряющийся с начальной скоростью удара v 0 сферический индентор имеет массу m, то можно написать уравнение движения …… Несмотря на то, что по самой природе упругого удара происходит изменение лишь кинетической энергии частицы и не происходит её ионизации (разделения нейтральных атомов на две или или более заряженные частицы), т. е. разрушения, косвенная роль такого удара может оказаться весьма важной. Передаваемая при ударе избыточная кинетическая энергия распределяется в структуре частицы в виде энергии теплового движения. nike air max 2012 Вследствие этого повышается температура частицы и окружающей среды. nike air huarache noir femme pas cher Таким образом, упругий удар, приводя к повышению температуры, может существенно влиять на процесс измельчения, изменяя структуру и свойства измельчаемого материала. Nike Pas Cher Среди различных процессов разрушения материалов особое место занимает изнашивание - поверхностное разрушение, возникающее при многократном контактном взаимодействии твердых тел [Колесников Ю. В., Морозов Е. М. Механика контактного разрушения. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 224 с.]. Как отмечается в работе [Поверхностная прочность материалов при трении / Костецкий Б. И., Носовский И. Г., Караулов А. К., Бершадский И. Л. – К.: Техника, 1976. –296 с.]: «Процессы объемного разрушения протекают в результате накопления в объеме материала дефектов его структуры, приводящих к акту микроскопического разрушения детали или конструкции. При неупругом ударе часть кинетической энергии расходуется на изменение внутренней энергии одного из участников соударения (неупругий удар первого рода) или передается встречнодвижущейся частице, изменяя (увеличивая) её кинетическую энергию (неупругий удар второго рода. Процессы поверхностного разрушения частиц в процессе газодинамического диспергирования состоят из большого количества микроскопических актов разрушения, проявляющихся в постепенном уменьшении их объема - износе материала. Согласно ГОСТ 23.002 - 78 изнашивание представляет собой процесс разрушения и отделения (фрагментов) материала (частиц износа) с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы. Изнашивание - сложное явление поверхностного разрушения и может включать в себя несколько взаимодействующих между собой процессов, которые зависят от механических, физико-химических и технологических параметров материала . Разделить эти процессы иногда довольно затруднительно, что будет показано нами далее на примере ударного изнашивания. На необходимость рассмотрения напряженного и деформированного состояния поверхностных слоев твердых тел при трении было указано еще в работах В. Д. ugg boots bailey bow Кузнецова, Б. И. Костецкого, С. В. Nike Femme Пинегина . Однако ранее для описания изнашивания хрупких тел использовалась лишь такая механическая характеристика материала, как модуль упругости, а для пластичных тел - твердость (предел текучести), для случая изнашивания высокотвердых сплавов использовались обе характеристики. Уже в ранних работах Г. М. Сорокина тем не менее подчеркивалось, что эти характеристики не могут в полной мере отражать закономерности износа и необходимо привлечение прочностных свойств материалов . В 1975 г. adidas chaussures pas cher Хорнбоген сделал попытку введения критического коэффициента интенсивности напряжений К IC с целью объяснить опытный закон Арчарда . В это же время Лоун начал разработку теории абразивного изнашивания хрупких тел. Изнашивание рассматривалось как последовательность отделения фрагментов материала, образующихся при пересечении боковых трещин с поверхностью. Известны и другие попытки использования характеристик трещиностойкости для описания абразивного изнашивания , однако они носят полуэмпирический характер.

Поверхностное разрушение при многократном контактном ударе твердых тел

Изнашивание (уменьшение размеров частиц) при ударе подразделяют на собственно ударное и эрозионное. Эрозионное разрушение происходит в результате действия на поверхность потоков твердых частиц. Ударное разрушение происходит при соударении расположенных непосредственно друг против друга частиц. Ударное изнашивание. Изучение ударного изнашивания началось сравнительно недавно. Первые работы в этом направлении были предприняты в начале 60-х гг. в МИНХиГП В. adidas gazelle pas cher Н. Виноградовым, Г. М. Сорокиным и сотрудниками . Направление этих работ пошло преимущественно по пути изучения износа поверхностей при наличии абразива. В середине 60-х гг. были проведены под руководством Утца и Веллингера в Штутгартском университете (ФРГ) исследования ударного изнашивания металлических поверхностей в условиях их пластрческого деформирования. В начале 70-х гг. были начаты Энгелем и сотрудниками в Компании по производству вычислительных машин ИБМ (США) работы по изучению ударного изнашивания в условиях упругого контактирования поверхностей . В конце 70-х гг. в Коннектикутском университете (США) Райе и сотрудники расширили цикл этих исследований для случая удара со скольжением. В настоящее время проблемой интенсивно занимаются в Японии . Согласно классификации, разработанной Г. М. Сорокиным на основе анализа макро- и микрорельефа поверхностей и закономерностей изнашивания, существуют следующие виды ударного изнашивания: ударно-абразивный, ударно-гидроабразивный, ударно-усталостный и ударно-тепловой. Ударно-абразивное разрушение происходит при динамическом контакте взаимодействующих поверхностей при наличии между ними частиц, превосходящих по твердости поверхности изнашивания. Фундаментальные исследования этого вида разрушения (изнашивания) проведены в работах Г. М. Сорокина, где установлены основные его особенности и закономерности. В работе [Колесников Ю. В., Морозов Е. М. Механика контактного разрушения. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. nike roshe run homme 224 с.] основное внимание уделено ударно-усталостному разрушению, которое по определению авторов со ссылкой на работы Кузнецова В. Д,происходит при многократном соударении поверхностей, не имеющих первоначально в зоне контакта частиц, более твердых, чем исходные поверхности . Поскольку было предложено различные виды изнашивания, обусловленного ударом, объединять общим понятием ударного, то последним термином, если не оговорены особые условия (наличие абразива, жидкой среды, повышенной температуры), мы и будем пользоваться. Фактически любой из перечисленных согласно видов изнашивания происходит за счет накопления усталостных повреждений и представляет ударно-усталостное изнашивание. Поэтому понятия ударное и ударно-усталостное изнашивание необходимо отождествлять, а другие виды с особыми условиями контактирования (ударно-абразивное и т. д.) отделять. Основные закономерности и особенности ударного изнашивания до настоящего времени не были достаточно полно отражены в литературе. Рассмотрение этого вида изнашивания имеет самостоятельный практический интерес и важно для понимания многих особенностей эрозионного изнашивания твердыми частицами. Влияющие факторы. Ударное изнашивание определяется физико-механическими свойствами материалов контактирующих тел, средой и ее температурой, относительной скоростью удара, энергией удара и ее распределением, числом циклов соударений. Ударный износ находится в тесной связи с такими характеристиками контактного взаимодействия, как коэффициент восстановления, сила удара, время соударения, контактная деформация и обусловленная ударом температура на контакте. Эти характеристики, формируемые при однократном ударе, в значительной степени влияют на процесс изнашивания и сами изменяются в процессе многократного соударения. В результате действия повторных ударных нагрузок в поверхностной зоне контактирующих тел изменяется напряженно-деформированное состояние, происходит деформационное упрочнение, структурные и фазовые превращения, а также изменяются топография и морфология поверхности. Все это приводит к поверхностным и под-верхностным повреждениям, формированию и отделению частиц износа. Распределение энергии. Начальная (кинетическая) энергия удара Uo определяется массой m ударяющей частицы (индентора) и его начальной скоростью v 0 . Величина Uo расходуется на энергию упругого восстановления (отскока) U уп и преобразованную энергию U пр. При первом ударе около 10 % идет на U уп и около 90 % на U np . Энергия U np складывается из энергии деформирования U д (около 30 %) и энергии неупругих эффектов или остаточной энергии U ост: (около 60 %). При этом необходимо отметить, что энергия деформирования идет частично на создание объема V пз пластической зоны внедрения или смятия и частично на создание объема V дз деформированной зоны под областью контакта. Незначительная часть начальной энергии расходуется на энергию упругих волн, которая по различным оценкам не превышает 2-3 %. Предполагается , что наличием неупругих деформаций, затрачиваемых на движение дислокаций с высокой плотностью, можно объяснить значительную часть потери энергии U 0CT . Энергию Uдс, поглощаемую на развитие дислокационных процессов, можно оценить по формуле U дс = (4.27) где q 0 - максимальное контактное давление, ρ - средняя плотность активных дислокаций, b- вектор Бюргерса при передвижении на расстояние х. В диапазоне малых скоростей соударения от 0,5 до 2 м/с зависимость U пр и U д от v 0 носит степенной характер как для первого удара, так и для последующих до числа циклов N = 100. Была также установлена зависимость общей U пр, представляющей сумму U пp для 100 циклов соударения, от твердости. С увеличением твердости материала образца для случая соударения с жестким сферическим индентором суммарная U пр понижается по степенному закону. В результате многократного соударения происходит интенсивное деформационное упрочнение материала в поверхностном слое, которое примерно после 20 циклов соударения (N = 20) начинает замедляться. В результате после N > 20 стабилизируются значения величин Uyn и Uпр. Можно считать, что после N > 100 Uд становится пренебрежимо малой и вся энергия распределяется на Uуп (30-35 %) и U oст (65-70 %). Значительная часть U ост расходуется на структурные изменения в поверхностном слое, ведущие к износу, а также на трение; незначительная на трибохимические реакции и энергию упругих волн. Важность учета энергетических соотношений была подчеркнута при исследовании износостойкости инструментальных легированных сталей . Было установлено, что сталь, наиболее износостойкая при малой энергии удара, сдвигается по степени износостойкости относительно других сталей при больших энергиях ударов. В настоящее время осознается необходимость создания четкого энергетического критерия ударной износостойкости. По-видимому, он должен представлять собой функциональную зависимость, учитывающую удельную энергию первого соударения U 0 / U да и параметры кинетики процесса. Коэффициент восстановления. Коэффициент восстановления, равный отношению скорости отскока к начальной скорости е = v 1 /v 0 , представляет собой характеристику, свидетельствующую о степени упрочнения материала- Он практически не зависит от массы и скорости соударяющихся тел . При ударе жестких иденторов о поверхность более мягких материалов е увеличивается с увеличением N. Для материалов с твердостью до 300 HV при первом ударе е = 0,3-0,4. После стадии упрочнения (N = 20), е стабилизируется, принимая значение 0,7, и сохраняет это значение при числе ударов порядка мегацик-ла. Для твердых материалов с HV > 300 е = 0,6-0,7 и стабилизируется после N = 5, принимая значение 0,8. Сила удара. Формулы по определению максимального значения силы при первом ударе Рm в условиях упругого и пластического контакта для ряда случаев приведены в § 4. Наличие шероховатости может незначительно увеличить это значение . Зависимость Р m от v 0 для случая удара жесткой сферы о полупространство носит линейный характер для пластического контакта и степенной с показателем 1,2 для упругого контакта. При постоянной v с увеличением числа циклов соударения Рm возрастает и стабилизируется не более, чем после N = 20. Для более твердых материалов разница между этими величинами при первом ударе и двадцатом меньше, чем для мягких. Asics gel nimbus pas cher Зависимость Рm от твердости носит линейный характер в случае однократного соударения, однако с увеличением числа ударов (при скоростях от 0,54 до 1,7 м/с) примерно при N = 100 она пропадает. По-видимому, наступает равновесие между упрочнением и пластическим деформированием поверхностных слоев. Время соударения. Некоторые соотношения для определения времени при первом соударении в условиях упругого и пластического контакта также приведены в § 4. Шероховатость приводит к возрастанию времени соударения. Теория контактного взаимодействия твердых тел при упругопластическом соударении ввиду большой сложности вопроса в настоящее время не разработана, однако для случая удара жесткой сферы по полупространству со скоростями до 10 м/с получены некоторые эмпирико-теоретические соотношения . Время соударения пропорционально массе сферического ударника т в степени 1/3. Отношение времени соударения к радиусу R сферы является для данной скорости v0 величиной постоянной. Этот факт подтверждается экспериментально и для более высоких скоростей до 50 м/с . С увеличением v0 в диапазоне до 10 м/с это соотношение медленно падает. Для упругопластического контакта продолжительность первой фазы удара xlt когда достигается максимальная контактная деформация (сближение), больше продолжительности второй фазы τ 2 , когда снимается упругая деформация. Первая фаза увеличивается с возрастанием v 0 . Увеличение модуля упругости Е полупространства приводит к сокращению первой фазы сжатия, но и к еще большему сокращению второй фазы восстановления. Увеличение предела текучести ат полупространства вызывает также сокращение фазы сжатия, но возрастание фазы восстановления. При многократном соударении с заданной v время соударения с ростом N снижается и стабилизируется после N = 20. Canada Goose Banff Контактная деформация. Детальпое обсуждение вопросов, связанных с возникновением контактпой деформации при однократном ударе и ее зависимостью от скорости соударения проведено в работе . С целью получения повышенных скоростей соударения была разработана специальная установка, на которой было изучено влияние на контактную деформацию различных сочетаний материалов соударяющихся пар , температурно-скоростных факторов и среды, а также исследованы контактные деформации шероховатых поверхностей с гальваническими покрытиями . Зависимость контактной деформации от скорости и силы удара носит степенной характер . Очень важным при изучении контактной деформации является учет скоростного фактора. Скорость деформации существенным образом влияет на механические свойства материалов, в частности на предел текучести . Скоростной зависимостью предела текучести стт и разным временем контактирования можно объяснить тот факт, что при одинаковых значениях статической силы и динамической в условиях статики возникает большая, чем при ударе, контактная деформация. Предполагают, что в динамическом режиме наибольшая контактная деформация возникает не в тот момент времени, когда сила достигает значения Рm, а тогда, когда динамический предел текучести σ D достигает величины статического σ т. Характер накопления деформаций при действии многократных импульсных и вибрационных нагрузок примерно одинаков. Зависимость контактной деформации от числа циклов N носит нелинейный характер с тремя отчетливо отличными участками . На первом участке примерно до N = 20 идет резкое увеличение контактной деформации , затем наступает участок медленного накопления контактной деформации с приблизительно постоянной скоростью роста до N = 103-104, и далее начинается третий участок, на котором наблюдается значительный рост деформации и интенсивное разрушение поверхности . Контактная температура. Временная зависимость контактной температуры имеет два участка, обусловленные наличием фазы сжатия и фазы восстановления . На первом участке происходит увеличение температуры - в момент максимального сближения она также достигает максимума. Этот период составляет 70 % общего времени соударения, что подтверждено аналитически и экспериментально. Затем наблюдается снижение температуры до 50 % ее максимального значения, вызванное быстрым увеличением способной охлаждаться поверхности. (c.144) С увеличением скорости v 0 и соответственно энергии Uo контактная температура возрастает по степенному закону, что связано с нелинейным ростом силы удара и контактной деформации (соответственно площади контакта) от скорости. Между максимальной силой удара Рm и контактной температурой установлена линейная связь. При единичном ударе в течение долей миллисекунд и менее на поверхности контакта и прилегающих к нему объемах температура может достигать несколько сот градусов, в частности для сталей - до 500 °С. Однако в микрообъемах процесс деформирования может развиваться адиабатически, и температура достигает, по-видимому, 1000 °С, о чем свидетельствует обнаруженное экспериментально наличие фазовых превращений. При повторных ударах температура примерно на 40 % ниже, чем при первом ударе. Процесс теплообмена с окружающей средой определяется соотношением величин длительности теплового импульса и периода между соседними ударами. После примерно N = 30 температура выравнивается и составляет несколько десятков градусов . Структурные и фазовые превращения. Под действием многократных импульсных нагрузок исходная структура деформируемого материала существенно изменяется. В общем случае можно говорить о возникновении трех различных по своей структуре зон : поверхностных зон и находящейся под ними зоны исходного материала. Поверхностная зона представляет собой тонкий поверхностный мелкодисперсный слой композиционного материала, состоящий из компонентов материалов контактирующих тел и окружающей среды, а также продуктов химических реакций этих компонентов. Подповерхностная зона представляет собой пластически деформируемый слой основного материала с ярко выраженной ориентацией кристаллов в своей верхней части, граничащей с поверхностной зоной. Первая верхняя зона имеет порядок глубины от нескольких микрометров до десятков микрометров, а вторая подповерхностная зона имеет порядок глубины от нескольких микрометров до сотен микрометров. В мягких материалах обнаруживается наличие особых зон, в то время как в твердых возникает практически только первая зона. Первая зона является результатом действия физико-химических процессов и механического перемешивания, в формировании второй зоны превалирует влияние циклов переменных напряжений. ся возникновение у сталей «белых зон», нетравящихся прослоек сложного фазового состава и высокой твердости. Возникновение «белых зон» возможно и при однократном ударе большой энергии . Морфология поверхности и продуктов изнашивания. В начальном периоде действия ударных нагрузок поверхность остается гладкой, если предварительно она имеет незначительную шероховатость. Если поверхность имеет достаточную шероховатость, то последняя в результате деформирования сглаживается. В процессе деформирования происходит активирование поверхностного слоя, способствующее совместно с действием температур протеканию физико-химических реакций. Так, на поверхности стали после N = 100 образуется красно-бурая, частично серая, окраска , а на поверхности меди красноватая и серая окраска, свидетельствующие о протекапии трибо-химических реакций. Интенсивное пластическое течение совместно со сдвиговыми процессами приводит к образованию волнообразного рельефа, а в ряде случаев - к складчатому рельефу. В течение инкубационного периода происходит зарождение поверхностных и подповерхностных трещин и исчерпывается способность материала к упрочнению. Дальнейшее действие ударных нагрузок приводит к образованию частиц износа и их отделению. Одновременно, а в ряде случаев и ранее, начинается растрескивание материала и его выкрашивание по краям контактной площадки, т. е. наблюдается так называемый краевой эффект . У мягких материалов продукты изнашивания представляют собой хлопья, состоящие из частичек в виде лепестков или пластинок. Вид поверхности при их отделении чешуйчатый. Стальные частицы износа имеют светло- или темносерую окраску. Исследования показали, что они представляют собой металлическую основу сильно деформированной структуры, покрытую оболочкой окис-ного слоя, который непрочно связан с основой. В случае удара жесткого стального ипдентора по медному образцу образующиеся на поверхности последнего продукты изна-шивапия представляют собой, как показали спектроскопические исследования, композит из металлической меди, покрытой пленкой окиси меди и частицами железа. Частицы износа также имеют вид тонких пластинок длиной до 30 мкм. Как указыалось, напряжение σ и максимальное контактное давление q 0 определяются максимальной силой удара Рm, которая в свою очередь зависит от скорости v 0 , геометрии контакта и свойств материалов. Износ при ударе зависит в основном от интенсивности напряжения, а не от формы импульса напряжения . Фактически формула (4.29) идентична формулам, в которых устанавливается степенная зависимость износа от скорости, а соответственно и энергии удара. Более сложным является учет не скорости деформирования v, а скорости деформации . В частности, для ударно-абразивного изнашивания было установлено , что при одинаковой энергии удара и прочих равных условиях рост скорости удара приводит к увеличению износа. Зависимость ударного износа от твердости носит сложный характер и аналогична зависимости износа от твердости при ударно-абразивном изнашивании : с увеличением твердости износ падает, однако, начиная с некоторого «критического» зпачения твердости снова начинает возрастать. «Критическая» твердость является границей двух областей изнашивания, в первой из которых разрушение происходит преимущественно по вязкому механизму, а во второй - по хрупкому. Природа ударного изнашивания. Изнашивание представляет собой усталостный процесс, происходящий в объеме, определяемом размерами контактной площадки. Износ начинается в более «мягком» материале пары, причем он может наблюдаться даже тогда, когда контактирование носит упругий характер. Многократное ударное нагружение вызывает контактную деформацию, определяющую размеры контактной площадки и соответственно напряженное состояние. Подвергающаяся ударам площадка стремится освободиться от высоких напряжений и принимает форму, все более соответствующую форме твердого тела. asics basket По Энгелю процесс изнашивания рассматривается как оптимальный путь снятия напряжений. Процесс поверхностной усталости имеет инкубационный период, называемый периодом нулевого износа . После числа циклов No, называемого пределом нулевого износа, паступает область измеримого износа, в которой интенсивность изнашивания становится заметной. Предел нулевого износа определяется характером контактирования (упругий или упругопластический) и соответственно напряженным состоянием (с.149)…действительно могут быть причиной образования зародышевых трещин под поверхностью. Механизмы поверхностного разрушения при ударном изнашивании. Исключительно важным для создания моделей ударного изнашивания является четкое представление о механизмах поверхностного разрушения. Ввиду недостаточности экспериментальных (в частности микро-фрактографических) данных, а также крайней сложности происходящих в верхних слоях контакта явлений, этот вопрос в настоящее время является совершенно неразработанным. При этом, однако, возможны два вида поверхностного разрушения при ударном контактировании, которые тесно связаны друг с другом: макроскопические и микроскопические. Макроразрушение обусловлено напряженно-деформированным состоянием материала, вызываемым непосредственно взаимодействующими телами (деталями) контактной пары. При этом соударение тел происходит вдоль первоначальной оси контакта. Геометрия образующихся при этом трещин подробно описана в § 8. Возникающая в поле контактных ударных напряжений микротрещина может развиваться скачкообразно и, превращаясь б магистральную (макротрещину), распространяться на значительное расстояние в глубь материала. Для упрочненных металлов на поверхности образуются зачастую пересекающиеся кольцевые и радиальные трещины . Приложение многократной ударной нагрузки приводит в дальнейшем к росту трещины, дроблению материала на краях контактной площадки, а иногда даже и к разрушению детали. Рост трещины в условиях действия ударно-циклической нагрузки может быть вычислен аналогично тому, как рассмотрено нами при описании питтинга. Однократный акт разрушения при первом ударе для хрупких тел будет затронут нами далее при рассмотрении эрозионного изнашивания. Микроразрушение локализируется в тонком поверхностном слое, ограниченном размерами контактной площадки, которая создается за счет макронапряжений. Однако само микроразрушение обусловлено действием микровыступов и образующихся (или попадающих в контактную зону) абразивных частиц.

Механика контактного разрушения, Морозов Е.м., Колесников Ю.в., 2012.

В настоящей книге изложены современные представления о механике разрушения контактирующих тел и рассмотрены методы ее практического использовании. Приводятся основные результаты решений контактной задачи теории упругости и пластичности, морфологии поверхностных трещин и условий их возникновения, закономерности распространения возникших трещин и разрушения исходном поверхности тела. Большое внимание уделено результатам соответствующих экспериментов и их согласованию с расчетом.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работником, занимающихся трибологией, вопросами механики разрушения и контактных взаимодействий, а также для аспирантов и студентов старших курсов, обучающихся по специальностям «Физика прочности», «Механика деформируемого твердого тела», «Динамика и прочность машин», «Трение и износ в машинах (триботехника)».

Применение основных идей механики разрушения к контактным задачам.
Если известно поле напряжений, создаваемое индентором, то можно приложить идеи общей механики разрушения для изучения процесса контактного разрушения. При этом существуют два вопроса: 1) В какой момент нагружения трещина возникает и начинает распространяться? 2) Какова траектория трещины и с какой скоростью опа растет?

Вопрос возникновения трещины наименее поддается количественному описанию с точки зрения механизма этого явления и основных свойств материала. Возникновение трещины начинается с зародышевой трещины - микротрещины, порядок величины которой измеряется долями микрометра. Микротрещины могут уже существовать заранее в нагружаемом материале, и их наличие обусловливается технологией, т. е. предварительной механической, термической и химической обработкой. Их величина, пространственная ориентация и плотность в материале могут быть описаны различными функциями распределения. В хрупких материалах этими параметрами можно управлять: травление приводит к уменьшению трещин, абразивная обработка - к увеличению. Трещины образуются также в процессе деформационного течения материала при внедрении индентора за счет остановки дислокаций на различного рода препятствиях. С континуальной точки зрения для описания возникновения трещины могут применяться классические теории прочности.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Механика контактного разрушения, Морозов Е.М., Колесников Ю.В., 2012 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

Проект направлен на теоретическое исследование контактного разрушения сплошных сред расклинивающими телами. Во многих технологических задачах используется контактное разрушение материала с помощью движущихся тел. При этом в качестве самих разрушающих тел могут использоваться как жидкости (например при гидроразрыве нефтяных пластов, при создании геотермальных трещин с последующей прокачкой жидкости для обогрева помещений), так и твердые тела (подвижные проникающие части, используемые для обработки земли, разрушение льда при движении ледокольных судов). Характерной особенностью возникающих при этом механических задач является динамическое разрушение материала и наличие неизвестных границ области контакта, определение которых возможно только при решении полной задачи совместного движения разрушающей и разрушаемой сред. В проекте предлагается постановка и решение задач такого типа. Предполагается как аналитическое исследование, так и создание численных методов решения, адаптированных к задачам этого типа.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

Контактное разрушение является неотъемлимой частью многих технологических процессов. В качестве разрушающего тела может выступать как твердый ударник (проникающий снаряд, резец), так и жидкость под давлением (гидроразрыв пласта). В отчетный период работа была сосредоточена на исследовании основных закономерностей, сопровождающих внедрение жестких проникающих тел в твердую среду, а также на явлениях, характерных для задач разрыва пористой среды жидкостью, которые сопровождаются образованием трещин гидроразрыва с одновременной фильтрацией части жидкости в грунт. Для задач движения жестких ударников исследовались влияние геометрии их носовой части на силу сопротивления внедрению, на характер движения среды, на распределение давления в точках контактной поверхности и на методы определения размеров самой поверхности контакта. Полученные результаты позволяют говорить о сильной зависимости всех перечисленных характеристик от знака выпуклости поверхности носовой части. Разрабатываемые методы аналитических и численных исследований в принципе позволяют достаточно детально исследовать влияние геометрии поверхности, трения и скорости движения в предлагаемых постановках задач проникания. Получен ряд результатов по численному решению динамического разрыва среды с накоплением повреждений давлением, следящим за движением трещины. Предложены и апробированы в расчетах критерии сдвигового разрушения и нормального разрыва. Задачи разрушения и фильтрации в пористой среде имеют ряд характерных особенностей, важных для приложений. Таковыми являются задачи, которые возникают при вытеснении из трещины гидроразрыва одной жидкости другой. Для них возможно проявление неустойчивости, которое приводит к локальному прорыву вытесняющей жидкости с полным нарушением технологического процесса. В исследовании процессов неустойчивости вытеснения получен ряд аналитических и численных результатов и проведено сравнение с результатами экспериментов. Исследовано влияние на процесс вытеснения различных включений и неоднородностей пористой среды. Одним из важнейших для приложений является вопрос о характере взаимодействия формирующейся трещины гидроразрыва с имеющимися геологическими нарушениями однородности пласта в виде разломов с пониженной прочностью материала. Поскольку пласт находится под действием внешнего поля напряжений, при таком взаимодействии возможен катастрофический относительный сдвиг берегов разлома. Была рассмотрена одна из возможных моделей взаимодействия трещины под давлением и разлома при наличии внешнего поля напряжений. Исследованы в рамках предложенной постановки возможные направления движения трещины после его слияния с разломом в зависимости от геометрических и физических параметров, а также величина областей раскрытия и сдвига берегов разлома. Часть результатов опубликовано (1 статья),а также является основой докладов (3 доклада) на конференциях, в том числе две из них международные.

Интенсивное изучение механики развития магистральных трещин привело к появлению специализированных направлений -- математической механики разрушения, вычислительной механики разрушения, экспериментальной механики разрушения, технической механики разрушения, каждое из которых занимается определенной областью теоретического и инженерного знания. На этом фоне по совокупности работ и методологий за последнее время начинает проступать новое направление, занимающееся изучением процесса разрушения поверхности твердого тела. Подобные разрушения связаны с контактными взаимодействиями, вдавливанием, износом и т.п. Естественно, что и в этом вопросе, так же как и в остальных вопросах механики разрушения, возможны физические подходы, изучающие структуру материала, и механические, континуальные. В данной книге процессы поверхностного разрушения рассматриваются с континуальной точки зрения, применительно к анализу напряженно-деформированного состояния тела с поверхностными трещинами методами механики сплошной среды вместе с соответствующими критериями роста трещины, экспериментами и практическими приложениями.

Достаточное число работ по этой проблеме, опубликованных в печати, и наличие нескольких обзорных статей позволили сформулировать новое название этого направления, вынесенное в заглавие книги, -- механика контактного разрушения. Монография подводит итог развития механики контактного разрушения как самостоятельного научного направления, в ней показана перспективность и необходимость дальнейших исследований.

Поскольку настоящая книга является первой в этой области, то авторы сознают неизбежность недостатков, указание на которые будут с благодарностью приняты.

Запросы современной техники, связанные с созданием конструкций, обладающих прочностной надежностью при малой материалоемкости, приводят к необходимости разработки оптимальных расчетов на прочность с учетом исходной дефектности материала. На базе уточнения физических и механических представлений о механизмах разрушения твердых тел был сформулирован в течение последних трех десятилетий раздел механики деформируемого твердого тела, получивший название механики разрушения . Большое значение этого раздела науки подчеркивается проведением значительного числа международных и национальных конгрессов и конференций, изданием отечественных и зарубежных специализированных журналов и монографий.

Создание механики разрушения позволило с совершенно новых позиций взглянуть на процессы контактного взаимодействия твердых тел. Известно, что при достижении определенной величины нагрузки или же при многократном ее приложении в зоне контакта двух соприкасающихся тел может происходить разрушение. Являясь сначала локальным, оно затем может развиваться катастрофически и привести к поломке образца или конкретной детали. Особенно часто это явление наблюдается у твердых и сверхтвердых материалов, обладающих значительной хрупкостью. В ряде случаев оно играет положительную роль, например, в различных технологических процессах обработки материалов (дробление, измельчение, резание). Однако в большинстве случаев (абразивное, эрозионное и другие виды изнашивания, контактное ударное нагружение) оно приводит к преждевременному нежелательному разрушению материала, что в свою очередь может явиться причиной поломки отдельной детали или же конструкции в целом. В настоящее время уже считается общепризнанным , что более 80% случаев выхода из строя машин, механизмов и устройств обусловлено процессами, происходящими в зоне контакта соприкасающихся твердых тел.

Сейчас в рамках механики разрушения возникло, по сути дела, отдельное обширное направление, обозначаемое по англо-американской терминологии как "Indentation Fracture". Дословный перевод этого термина как "механика разрушения вдавливанием" или "механика разрушения при внедрении (индентора)" вряд ли можно считать удачным. На наш взгляд, более подходит название "механика контактного разрушения" (далее МКР). Исследования в этом направлении связаны, так же как и в испытаниях на твердость, с изучением поведения поверхностных слоев материалов при вдавливании одного тела (индентора) в другое, с использованием достижений механики развития трещин. Испытания на твердость дают большую информацию о механических свойствах материалов, и в изучении этого явления достигнут значительный успех. Достаточно упомянуть, что уже имеется несколько обобщающих монографий по твердости и огромное число публикаций. Кроме того, в рамках механики деформируемого твердого тела существует целый раздел, посвященный контактным задачам упругости и упругопластичности . Решение этих задач явилось и является, в частности, теоретической базой совершенствования методов испытания на твердость и толкования получаемых результатов. Исследованиям же по механике контактного разрушения уделялось незаслуженно малое внимание, что, повидимому, объясняется сложностью процессов образования и роста поверхностных трещин и отсутствием в свое время соответствующих теоретических методов анализа. Однако изучение контактного разрушения имеет большое научное и практическое значение. Эксперименты по контактному разрушению можно рассматривать как пробы поверхности материала, в которых она сжимается контролируемым образом, пока сопротивляется разрушению, так же как в большинстве экспериментов по измерению твердости -- пластическому деформированию. С помощью этих экспериментов можно определять следующие важные характеристики ряда материалов и их состояний: а) вязкость разрушения поверхностных слоев; б) энергию поверхностного разрушения; в) скорость роста поверхностных трещин; г) плотность поверхностных дефектов; д) остаточные напряжения.

Кроме того, теоретический анализ явлений позволяет приступить к созданию теории абразивного и эрозионного изнашивания хрупких тел. В свою очередь развитие расчетных методов оценки поверхностной прочности является необходимой предпосылкой разработки более высокопрочных материалов.

Возникновение механики контактного разрушения неразрывно связано с историей контактной механики. Более ста лет назад, в 1881 г., Герц в своей классической работе , явившейся первой теоретически решенной задачей контактирования твердых тел, рассмотрел случай упругого контакта шара с шаром и с полупространством под действием нормальной силы. В последующей непосредственно за ней работе Герц указал на физическое значение твердости, анализируя упругий контакт твердых тел и качественно описал возникновение конических трещин, зарождающихся в стекле вокруг контактной площадки при некоторой критической нагрузке. Десять лет спустя в 1891 г. Ауэрбах расширил эти эксперименты и установил связь между радиусом сферического индентора и критической нагрузкой, вызывающей возникновение конических трещин в стекле. В 1919 г. Раман изучал фигуры контактного разрушения и фотографировал их в отраженном свете. Спустя семь лет он применил для этих целей интерференционный метод. Далладай и Твиман в 1921 г. изучали поля напряжений в поляризационном свете при вдавливании алмазного наконечника в стекло. Они же первые указали на существование пластического течения в этом обычно хрупком материале. В 1921--26 гг. Престон . Проводились также исследования по поверхностной трещиностойкости твердых сплавов . В послевоенное время С.В.Пинегин в Институте машиноведения АН СССР начал широкий цикл исследований по контактной прочности закаленных сталей и других твердых материалов . В 1956 г. Рослер опубликовал работы , в которых впервые была предпринята попытка количественного описания поверхностного разрушения стекла при вдавливании шара с использованием результатов Герца и Гриффитса. Одновременно теоретические работы этого направления были начаты в нашей стране Г.П.Черепановым и Г.И.Баренблаттом . Однако первая теория герцевского разрушения была разработана Фрэнком и Лоуном лишь в 1967 г. В 1975 г. Лоун и Уилшоу опубликовали фундаментальный обзор по механике контактного разрушения , в котором был сделан тщательный анализ всех проведенных исследований и определены перспективные проблемы. С появлением этой публикации можно, по-видимому, рассматривать становление механики контактного разрушения как самостоятельного научного проявления.

Хронологический анализ библиографии, относящийся к работам, в которых непосредственно изучались поверхностные трещины при внедрении, показывает следующее. В первые 73 года от статьи Герца (1882 г.) до работы Рослера (1956 г.) выходила одна статья за 7--8 лет. С 1956 г. по 1967 г. печатается уже 2--3 статьи ежегодно. С публикацией работы Фрэнка и Лоуна наблюдается возросший интерес к тематике и с 1967 г. по 1975 г. печатается уже от 8 до 10 статей в год. Начиная с 1976 г. после обзорной работы Лоуна и Уилшоу ежегодно появляется более двух десятков публикаций в мировой научной литературе и интерес к тематике не ослабевает. Значителен вклад в этом направлении и советских ученых. Характерно, что во все возрастающем объеме исследований доля работ японских и особенно советских ученых непрерывно увеличивается.

В заключение отметим, что при контактном взаимодействии твердых тел характерна геометрическая локализация (в области под контактом) всех видов деформации и разрушения, а именно: упругой и пластической, зарождения и распространения трещин. И если обычно механика разрушения занимается развитыми трещинами, то здесь нельзя обходить вниманием вопросы зарождения трещин. Кроме того, создаваемые под индентором большие сжимающие гидростатические давления приводят для хрупких в обычных условиях нагружения материалов к появлению пластически деформируемых объемов, причем не у вершины трещины, а наоборот, у ее начала, так как трещина растет в растянутых зонах, где пластическое деформирование затруднено в силу положительного среднего напряжения. Это предопределяет возможность использования аппарата линейной механики разрушения для изучения завершающих стадий процесса контактного разрушения. Наконец, в этом процессе не на последнем месте находится вопрос о пути (траектории) трещины, поскольку напряженное состояние существенно неоднородно, а траектория трещины определяет размеры фрагментов материала при отколе. Таким образом, все разделы механики сплошной среды, механики материалов и механики разрушения взаимосвязно отражены в задачах контактного взаимодействия.

of the book "Contact fracture mechanics"

Annotation

The modern view of fracture mechanics of contacting bodies and the methods of its application are presented in this book. It deals with the contact problems of the elasticity theory and the theory of plasticity, the morphology of surface cracks and the conditions of their initiation, the properties of crack propagation and of original surface fracture. Particular emphasis is placed upon experimental results and their agreement with the calculations.

Process of the surface fracture is discussed in terms of continuum. The analysis of stress-strain state of body with surface cracks is carried out by means of continuum mechanics and appropriate criteria of crack growth considering the experimental results and practical application.

Prior to this edition the problem was treated only in periodicals. The sufficient number of publications (about 600) and some review articles allow to propose a new name for the foregoing field of knowledge-contact fracture mechanics (the same is the title of the book). The monograph is the first one in the branch. The development of mechanics of contact fracture as an original area permitted to write it and to show the perspective and the necessity of further reseach.

Recommendation (extracts from the reviews)

V.M.Alexandrov, professor, Dr.Sci.: "At the present time there are not a few books on theory and practice of contact interactions. But as a rule the question of contact interactions is limited by study of contact efforts, by determination of contact hardness and contact size. The problem of stress distribution in contacting bodies in case of the elastic and elastic-plastic contact in the presence of developing crack near the contact area was not enough discussed in the monographic literature. This book is original by its subject and touches upon the actual problems of contact deformation".

"...the considered questions are very important. They were not discussed anywhere in full. The necessity of book about contact fracture mechanics is obvious".

L.I.Slepian, professor (Leningrad University), Dr.Sci.: "The book contains the analytical review of phenomena related to the contact fractune; theoretical problems of description and prediction of these phenomena and available results are valid for practical calculations and further development of theory. Some discussed problems can"t be solved yet. The book seems to be interesting for engineers and scientists concerned with fracture mechanics. It"s no doubt that the book will be in great demand."

Кандидат технических наук, доцент кафедры физики Брянского института транспортного машиностроения (БИТМ). Специалист в области механики и физики контактного взаимодействия при единичном и многократном динамическом нагружении и оценке влияния на эти процессы различных видов упрочнения и легирования поверхностных слоев. Соавтор монографии "Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках".

Евгений Михайлович МОРОЗОВ

Доктор технических наук, профессор кафедры физики прочности Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ". Известный ученый в области механики разрушения и прочности твердых тел, один из инициаторов развития механики разрушения в нашей стране. Лауреат премии Совета Министров СССР. Заслуженный деятель науки РФ. Включен в ряд англо- и русскоязычных изданий книг "Кто есть кто". Автор ряда монографий и учебных пособий по механике разрушения, в число которых входят: "Механика контактного разрушения" (в соавт. с Ю. В. Колесниковым; 4-е изд. URSS, 2012), "ANSYS в руках инженера" (в соавт. с А. Б. Каплуном и М. А. Олферьевой; 3-е изд. URSS, 2009), "Метод конечных элементов в механике разрушения" (в соавт. с Г. П. Никишковым; 3-е изд. URSS, 2010) и другие.