2 ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ОТКАЗА МАШИН 2.1 Закономерности изменения свойств и состояния конструкционных материалов за время эксплуатации машины
Изменение начальных свойств и состояния материалов, из которых выполнена машина, является первопричиной потери ею работоспособности, так как эти изменения могут привести к повреждению машины и к опасности возникновения отказа. Чем глубже изучены закономерности, описывающие процессы изменения свойств и состояния конструкционных материалов, тем достовернее можно предсказать поведение машины в данных условиях эксплуатации и обеспечить сохранение показателей надежности в требуемых пределах.
Для объяснения физической природы происходящих явлений и для получения таких закономерностей, которые в наиболее общей форме отражают объективную действительность, необходимо проникнуть в микромир явлений и объяснить первопричины взаимосвязей.
Традиционно изучением поведения материалов под влиянием нагрузки занимается наука о сопротивлении материалов и её составные части - теория упругости и теория пластичности. Основные уравнения сопротивления материалов, теории упругости, теории пластичности и полученные на их основе данные по напряжениям и перемещениям в конструкционных элементах машин опираются, как известно, на идеализированную модель материалов в виде среды, обладающей свойствами непрерывности, однородности и изотропности. Эта модель позволяет получить правильные представления о макроскопическом поведении конструкций, но является существенно не точной, как только мы переходим к оценке параметров разрушения.
Дискретность атомного строения реальных материалов наряду с субмикроскопическими нарушениями этого строения за счет микроскопических дефектов металлургического происхождения, отличие лабораторных образцов по размерам и форме от реальных деталей, разница в лабораторных и эксплуатационных условиях — все это оказывает огромное влияние на реальную прочность твердых тел.
Несмотря на эти факторы и ограничения с помощью механики сплошных сред, удалось добиться существенных достижений в изучении разрушения и оценке прочности. Развитие расчетных моделей твердого тела в виде упругой среды, ослабленной разрезами разной конфигурации, привело к созданию теории трещин и одного из ее направлений — линейной механики разрушения, давшей описание полей напряжений в малой области вершины трещины для разных видов нагружения и критериев разрушения деталей с трещинами. На базе методов теории пластичности получила развитие теория предельных состояний, приблизившая результаты расчетов на прочность к уровню реальной прочности элементов, особенно в надрезанных сечениях.
Металлофизика, физика твердого тела и ряд других разделов физики необходимы для понимания процессов разрушения. Только с использованием представлений этих разделов и их аппарата можно описать начальные стадии разрушения (физику зарождения трещин, роль дефектов структуры и кинетику их накопления при пластической деформации), изучить структурные особенности материалов и разработать научные основы создания материалов высокой прочности.
Использование механического или физического подходов к раскрытию механизмов разрушения принято определять областью применения: первый — в макроскопической, а второй — в микро- и субмикроскопической областях. Однако в настоящее время различие между ними стирается вследствие распространения методов механики на микро- и субмикроскопический уровни (например, теория дислокации).
Важность механических и физических аспектов в проблеме разрушения видна хотя бы при оценке влияния вида напряженного состояния (нормальных и касательных напряжений) на характер разрушения изотропного тела. Это особенно резко проявляется в диморфизме металлов, т. е. способности одних и тех же металлов разрушаться хрупко или пластично в зависимости от внешних условий, в том числе и от напряженного состояния.
Само напряженное состояние описывается в рамках механики. Причина же различного влияния касательной и нормальной составляющих на характер разрушения твердого тела вытекает из более сложных физических законов.
Именно физика твердого тела раскрывает сущность двойственной природы прочности металлов и т.п.
Современная наука о прочности изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на трех рассматриваемых ниже уровнях.