§ 249] СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ. ОТРЫВ и СРЕЗ 777

целого ряда противоречий и неясностей, возникавших при рассмотрений явления разрушения на основе прежних представлений. Поэтому именно этот взгляд на современном этапе развития учения о прочности материалов следует считать наиболее правильным.

Из сказанного ясно, что вопрос о двух типах разрушения материалов - отрыве и срезе, требует подробного рассмотрения.

Теории разрушения материала от нормальных напряжений или вследствие развития значительных деформаций удлинения являются наиболее старыми теориями. Возможность разрушения материала путём отрыва, неоднократно подтверждённая опытами, до сих пор не подвергалась каким-либо сомнениям. Наоборот, в последнее время многие учёные были склонны приписывать отрыву вообще все случаи разрушения материала.

Характер разрушения при отрыве зависит как от рода материала, так равно и от вида напряжённого состояния; принципиально в одних случаях возможен хрупкий отрыв - без остаточных деформаций, в других - вязкий отрыв, сопровождающийся более или менее значительными пластическими деформациями (см. ниже - § 252). Так, например, экспериментально установлено, что некоторые бронзы и алюминиевые сплавы способны разрушаться путём отрыва даже при остаточной деформации около 20о/о.

Наиболее отчётливо характеристики сопротивления отрыву выявляются при испытаниях хрупких неметаллических материалов. Так, при растяжении образцов из хрупкого материала (стекла, пластмасс, бетона, камня) разрушение их, как правило, происходит по площадкам, перпендикулярным оси образца, т. е. как раз по тем, где действуют наибольшие нормальные растягивающие напряжения. При кручении таких же образцов трещины разрушения располагаются примерно под углом в 45° к оси образца, т. е. опять-таки перпендикулярно к направлению наибольших растягивающих напряжений. При сжатии призм из хрупкого материала разрушение начинается с появления трещин, параллельных направлению сжимающего усилия, а следовательно, перпендикулярных к направлению деформации растяжения (см. фиг. 32).

Получение характеристики сопротивления отрыву для пластичных материалов оказывается весьма затруднительным, так как при испытаниях, как правило, не удаётся миновать стадии пластических деформаций, а следовательно, и значительных касательных напряжений. В связи с тем, что у пластичных материалов сопротивление разрушению от касательных напряжений (срезу) значительно ниже сопротивления отрыву, при обычных испытаниях этих материалов не удаётся достигнуть сопротивления отрыву, так как раньше происходит разрушение путём среза. Поэтому для определения сопротивления отрыву необходимо такое изменение условий испытания (изменение вида напряжённого состояния, температуры, скорости деформирования), которое, почти не изменяя характеристики сопротивления отрыву, повлек.чо бы за собой значительное увеличение сопротивления срезу.

При комнатной температуре и нормальной скорости испытания разрушение путём отрыва у большинства пластичных материалов могло бы наблюдаться лишь при всестороннем равномерном растяжении; однако такое напряжённое состояние до сих пор на опыте осуществлено не было. При других напряжённых состояниях, близких к всестороннему равномерному растяжению, величину сопротивления отрыву удалось определить только у некоторых пластичных материалов, да и то лишь с помощью динамических испытаний при низких температурах. Некоторые опытные данные позволяют считать, что сопротивление отрыву сравнительно мало зависит от изменения скорости деформирования и температуры испытания. Отсюда следует, что в результате динамических испытаний при низких температурах с известным приближением определяются и характеристики сопротивления отрыву в нормальных условиях. Однако это обстоятельство

) Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, Оборонгиз, 1946. 2) У ж и к Г. В., Сопротивление отрыву и прочность металлов, изд. АН СССР, 1950.

может быть использовано при испытаниях лишь некоторых пластичных металлов (так называемые хладноломкие металлы). В связи с этим величина сопротивления отрыву для очень многих пластичных материалов до сих пор ещё не установлена.

Многие случаи разрушения путём отрыва на равных основаниях могут быть приписаны как действию больших растягивающих напряжений, так и развитию значительных деформаций удлинения. Таким образом, эти случаи объясняются как с точки зрения теории наибольших нормальных напряжений, так и на основе близкой к ней по своему физическому смыслу теории наибольших удлинений.

Привлекая для объяснения явлений разрушения материала путём отрыва теорию наибольших нормальных напряжений, следовало бы выражать истинное сопротивление отрыву через наибольшее растягивающее напряжение при разрушении материала: *

схотр. = пах разр. = 1 разр.

привлекая для этой же цели теорию наибольших удлинений, следовало бы выражать характеристику сопротивления отрыву через наибольшую деформацию удлинения: шах ipaap. = 1рязр.* что не вполне удобно. Используя зависимости между напряжениями и деформациями (§ 40):

ei = ;[i -(J(2+<8)] или = - [X (ja + (jg),

можно, как известно (§ 43), заменить алгебраическую сумму напряжений в правой части последнего уравнения некоторым приведённым растягивающим напряжением ар.

Следуя предложению Я. Б. Фридмана ), приведённое растягивающее напряжение при разрушении материала можно, казалось бы, принять за истинное сопротивление отрыву аотр.-

отр. == разр. = 1разр. = [i - (=2 + 8)]разр..

Необходимо заметить, что вопрос о той или иной трактовке сопротивления отрыву, как характеристики материала, а равно и вопрос о методах определения этой характеристики, в известной мере являются спорными 2).

Некоторые опыты указывают на постоянство характеристики сопротивления отрыву при различных видах нагружения у хрупких материалов. Для подобного же заключения в отношении пластичных материалов пока ещё нет достаточных данных. По результатам некоторых опытов сопротивление отрыву зависит от качества материала - с увеличением степени наклёпа оно растёт. Изменение скорости деформации и температуры испытания, как уже было сказано, сравнительно мало отражается на величине сопротивления отрыву; однако достаточно надёжных данных о количественной стороне этого явления пока нет.

Срез является более сложным видом разрушения, чем отрыв, так как ему обычно предшествуют значительные пластические деформации, вызывающие перераспределение напряжений и другие осложнения. На существование этого второго типа разрушения, обусловленного преимущественно касательными напряжениями, указывает целый ряд опытных данных.

§ 250. Теории прочности.

А. Изложенное в предыдущих параграфах является основой для решения общей проблемы прочности материалов при сложном напряжённом состоянии. Это решение, как мы уже видели (§ 42), невозможно без введения некоторых экспериментально обоснованных гипотез, называемых теориями прочности. Из сказанного ранее о сопротивлении пластическим деформациям и о сопротивлении разрушению вытекает необходимость в проведении чёткого разграничения между теориями прочности, рассматривающими вопросы, связанные с наступлением текучести материала и развитием

Разрушение металлов при растяжении без шейки, при срезе, кручении и изгибе обычно происходит по площадкам, очень близким к тем, на которых возникают наибольшие касательные напряжения. Хотя по углу излома не всегда можно сделать окончательное заключение о характере разрушения (отрыв или срез), однако в ряде случаев положение, а нередко и вид поверхности разрушения могут в этом отношении иметь решающее значение. Так, например, если разрушение при кручении происходит по площадкам, перпендикулярным к оси стержня, то несомненно, что оно обусловлено касательными напряжениями, так как по поверхности разрушения в этом случае нормальных напряжений вообще нет.

Значительно более трудным становится проведение различия между разрушением путём отрыва и среза при сложных напряжённых состояниях. Всё же и здесь в ряде случаев удалось установить, что в образовании некоторых из тех изломов, которые было принято считать наглядными примерами разрушения путём отрыва, на самом деле главную роль играют касательные напряжения.

Так как разрушение путём среза обусловлено касательными напряжениями, играющими главную роль и при пластической деформации материала, то у пластичных материалов без предшествующих, обычно довольно значительных, остаточных деформаций срез вряд ли возможен. По крайней мере, практически такого разрушения у металлов до сих пор получить не удалось, хотя некоторые из них (например, прессованный магний и сплавы на его основе) разрушаются от среза при сравнительно небольших деформациях (5-15о) - имеет место так называемый хрупкий срез .

В качестве характеристики сопротивления срезу можно принять истинное значение касательного напряжения в момент разрушения (тр). Опытные данные показывают, что для чистых металлов (медь, алюминий, железо) и для некоторых сплавов сопротивление срезу (хр) практически не зависит от вида напряжённого состояния. Вместе с тем установлено, что Тр в значительно большей степени, чем сопротивление отрыву, зависит от скорости деформирования и температуры опыта. При увеличении скорости и понижении температуры Тр увеличивается.

Предположение об одновременном существовании у материалов двух видов сопротивления разрушению наглядно подтверждается опытами над разрушением хладноломких металлов и некоторых хрупких материалов. Сопротивление отрыву и сопротивление срезу у одного и того же материала различны по величине; у пластичных материалов обычно ротр* у хрупких, наоборот, р > .р. В зависимости от изменения состава, а также термической и механической обработки Тр и с могут меняться по различным законам.

Описанные характеристики сопротивления материала разрушению могут служить основой для расчётов на прочность при простом и сложном напряжённом состоянии; вопрос об использовании этих характеристик рассматривается в следующих параграфах.