Moddiy nosozlik nazariyasi - Material failure theory

Bu maqola uchun qo'shimcha iqtiboslar kerak tekshirish. Iltimos yordam bering ushbu maqolani yaxshilang tomonidan ishonchli manbalarga iqtiboslarni qo'shish. Ma'lumot manbasi bo'lmagan material shubha ostiga olinishi va olib tashlanishi mumkin. Manbalarni toping: "Moddiy nuqson nazariyasi"  – Yangiliklar  · gazetalar  · kitoblar  · olim  · JSTOR (2014 yil noyabr) (Ushbu shablon xabarini qanday va qachon olib tashlashni bilib oling)

Serialning bir qismi
Uzluksiz mexanika
Qonunlar Konservatsiyalar Massa Momentum Energiya Tengsizliklar Klauziy – Duxem (entropiya)
Qattiq mexanika Deformatsiya Elastiklik chiziqli Plastisit Xuk qonuni Stress Cheklangan shtamm Infinitesimal zo'riqish Moslik Bükme Mexanikaga murojaat qiling ishqalanish Moddiy nosozlik nazariyasi Sinish mexanikasi
Suyuqlik mexanikasi Suyuqliklar Statika  · Dinamika Arximed printsipi  · Bernulli printsipi Navier - Stoks tenglamalari Puazayl tenglamasi  · Paskal qonuni Viskozite (Nyuton  · Nyuton bo'lmagan ) Suzish qobiliyati  · Aralash  · Bosim Suyuqliklar Yuzaki taranglik Kapillyar harakatlar Gazlar Atmosfera Boyl qonuni Charlz qonuni Gay-Lyussak qonuni Kombinatsiyalangan gaz qonuni Plazma
Reologiya Viskoelastiklik Reometriya Reometr Aqlli suyuqliklar Elektroreologik Magnetoreologik Ferrofluidlar
Olimlar Bernulli Boyl Koshi Charlz Eyler Gey-Lyussak Hooke Nyuton Navier Noll Paskal Stoklar Truesdell

Moddiy nosozlik nazariyasi tashqi materiallar ta'sirida qattiq materiallar ishdan chiqadigan sharoitlarni bashorat qilish haqidagi fan. Materialning ishdan chiqishi odatda mo'rt buzilish deb tasniflanadi (sinish ) yoki egiluvchan etishmovchilik (Yo'l bering ). Shartlarga qarab (masalan, harorat, stress holati, yuklanish darajasi) aksariyat materiallar mo'rt yoki egiluvchan holda yoki ikkalasida ham ishdan chiqishi mumkin. Biroq, aksariyat amaliy holatlar uchun material mo'rt yoki egiluvchan deb tasniflanishi mumkin. Noqulaylik nazariyasi 200 yildan ortiq vaqt davomida rivojlanib kelayotgan bo'lsa-da, uning maqbulligi darajasi doimiy mexanikaning darajasiga etib bormagan.

Matematik nuqtai nazardan, qobiliyatsizlik nazariyasi muayyan materiallar uchun amal qiladigan turli xil muvaffaqiyatsizlik mezonlari shaklida ifodalanadi. Qobiliyatsizlik mezonlari - bu "muvaffaqiyatsiz" holatlarni "muvaffaqiyatsiz" holatlardan ajratib turadigan stress yoki kuchlanish zonasidagi funktsiyalar. "Muvaffaqiyatsiz" holatning aniq fizik ta'rifi osonlikcha aniqlanmaydi va muhandislik jamiyatida bir nechta ish ta'riflari qo'llanilmoqda. Ko'pincha mo'rt nosozlik va egiluvchan hosilni taxmin qilish uchun bir xil shakldagi fenomenologik qobiliyatsizlik mezonlari qo'llaniladi.

Moddiy nosozlik

Yilda materialshunoslik, moddiy nosozlik moddiy birlikning yuk ko'tarish qobiliyatini yo'qotishdir. Ushbu ta'rif, moddiy qobiliyatsizlikni turli xil o'lchovlarda tekshirilishi mumkinligi bilan tanishtiradi mikroskopik, ga makroskopik. Strukturaviy reaktsiyalar, chiziqli bo'lmagan moddiy xatti-harakatlarni boshlashdan tashqarida bo'lishi mumkin bo'lgan tarkibiy muammolarda, strukturaning yaxlitligini aniqlash uchun moddiy qobiliyatsizlik katta ahamiyatga ega. Boshqa tomondan, global miqyosda qabul qilinmaganligi sababli sinish mezonlari, moddiy nosozlik tufayli strukturaning zararlanishini aniqlash, hali ham intensiv tadqiqotlar ostida.

Moddiy buzilish turlari

Materiallar etishmovchiligini materialni ko'rib chiqish ko'lamiga qarab ikkita keng toifada ajratish mumkin:

Mikroskopik etishmovchilik

Mikroskopik materialning buzilishi yoriqning boshlanishi va tarqalishi jihatidan aniqlanadi. Bunday uslubiyatlar aniq belgilangan global yuk taqsimotlari ostida namunalar va oddiy tuzilmalarni yorib o'tishda tushuncha olish uchun foydalidir. Mikroskopik etishmovchilik yoriqning boshlanishi va tarqalishini ko'rib chiqadi. Bunday holda etishmovchilik mezonlari mikroskopik sinish bilan bog'liq. Ushbu sohadagi eng mashhur nosozlik modellarining ba'zilari afzalliklarni birlashtirgan mikromekanik nosozlik modellari doimiy mexanika va klassik sinish mexanikasi.^[1] Bunday modellar kontseptsiyaga asoslangan plastik deformatsiya, mikrovoidlar nukleatsiya qiladi va mahalliy plastik bo'yin yoki interoid matritsasining sinishi sodir bo'lguncha o'sadi, bu esa qo'shni bo'shliqlarning birlashuviga olib keladi. Bunday model Gurson tomonidan taklif qilingan va Tvergaard tomonidan kengaytirilgan Igna, GTN sifatida tanilgan. Russelye tomonidan taklif qilingan yana bir yondashuv doimiylikka asoslangan zarar mexanikasi (CDM) va termodinamika. Ikkala model ham von Mises hosil bo'lish potentsialining modifikatsiyasini hosil qiladi, bu bo'shliqlarning bo'sh hajmini, g'ovakliligini ko'rsatadigan skaler zarar miqdorini kiritadi. f.

Makroskopik nosozlik

Makroskopik materialning ishdan chiqishi yuk ko'tarish quvvati yoki energiya yig'ish quvvati bilan teng ravishda belgilanadi. Li^[2] makroskopik qobiliyatsizlik mezonlari tasnifini to'rt toifaga taqdim etadi:

• Stress yoki kuchlanish buzilishi
• Energiya turi ishlamay qolishi (S-mezon, T-mezon )
• Zarar etkazilmadi
• Ampirik muvaffaqiyatsizlik

Deformatsiya va nosozlikning ma'nosi boshqacha talqin qilinadigan beshta umumiy daraja ko'rib chiqiladi: strukturaviy element shkalasi, makroskopik stress va shtamm aniqlanadigan makroskopik shkala, odatdagi bo'shliq, mikroskala va atom shkalasi bilan ifodalanadigan mezoskala. . Bir darajadagi moddiy xatti-harakatlar uning pastki darajadagi xatti-harakatlari to'plami sifatida qaraladi. Samarali deformatsiya va nosozlik modeli har bir darajada izchil bo'lishi kerak.

Mo'rt materialning ishdan chiqish mezonlari

Mo'rt materiallarning etishmovchiligini bir necha usullar yordamida aniqlash mumkin:

• Fenomenologik muvaffaqiyatsizlik mezonlari
• Chiziqli elastik sinish mexanikasi
• Elastik-plastik sinish mexanikasi
• Energiyaga asoslangan usullar
• Uyushgan zonalar usullari

Fenomenologik muvaffaqiyatsizlik mezonlari

Mo'rt qattiq moddalar uchun ishlab chiqilgan qobiliyatsizlik mezonlari maksimal darajada edi stress /zo'riqish mezonlar. The maksimal stress mezonlari material maksimal darajada ishlamay qolishini taxmin qiladi asosiy stress ${ displaystyle sigma _ {1}}$ moddiy elementda materialning bir tomonlama tortishish kuchidan oshib ketadi. Shu bilan bir qatorda, agar minimal asosiy stress bo'lsa, material ishlamay qoladi ${ displaystyle sigma _ {3}}$ materialning bir eksenli bosim kuchidan kam. Agar materialning bir tomonlama tortish quvvati bo'lsa ${ displaystyle sigma _ {t}}$ va bir tomonlama bosim kuchi ${ displaystyle sigma _ {c}}$, keyin material uchun xavfsiz mintaqa deb taxmin qilinadi

${ displaystyle sigma _ {c} < sigma _ {3} < sigma _ {1} < sigma _ {t} ,}$

Kuchlanish ijobiy bo'lgan konventsiya yuqoridagi ifodada ishlatilganligiga e'tibor bering.

The kuchlanishning maksimal mezonlari shunga o'xshash shaklga ega, faqat asosiy shtammlar eksperimental ravishda aniqlangan bitta ekssial shtammlar bilan taqqoslanadi, ya'ni

${ displaystyle varepsilon _ {c} < varepsilon _ {3} < varepsilon _ {1} < varepsilon _ {t} ,}$

Jiddiy kamchiliklarga qaramay, maksimal darajadagi asosiy stress va kuchlanish mezonlari keng qo'llanilmoqda.

Muhandislik adabiyotida ko'plab boshqa fenomenologik muvaffaqiyatsizlik mezonlari mavjud. Ushbu mezonlarning muvaffaqiyatsizlikni bashorat qilishdagi muvaffaqiyat darajasi cheklangan. Mo'rt materiallar uchun ba'zi mashhur xato mezonlari quyidagilardir:

• ning invariantlariga asoslangan mezon Koshi kuchlanish tensori
• The Treska yoki maksimal siljish stressi muvaffaqiyatsizlik mezonlari
• The fon Mises yoki maksimal elastik buzilish energiya mezonlari
• The Mohr-Coulomb muvaffaqiyatsizlik mezonlari koheziyali-ishqalanuvchi qattiq moddalar uchun
• The Drucker-Prager muvaffaqiyatsizlik mezoni bosimga bog'liq bo'lgan qattiq moddalar uchun
• The Bresler-Pister muvaffaqiyatsizlik mezonlari beton uchun
• The Willam-Warnke muvaffaqiyatsizlik mezoni beton uchun
• The Xenkinson mezonlari, yog'och kabi ortotrop materiallar uchun ishlatiladigan empirik qobiliyatsizlik mezonidir
• The Tepalik hosil mezonlari anizotropik qattiq moddalar uchun
• The Tsay-Vu muvaffaqiyatsizlik mezonlari anizotropik kompozitsiyalar uchun
• The Jonson-Holmquistning shikastlanish modeli izotropik qattiq moddalarning yuqori tezlikli deformatsiyalari uchun
• The Hoek-Brown qobiliyatsizligi mezonidir tosh massalari uchun
• The Cam-Clay qobiliyatsizligi nazariyasi tuproq uchun

Chiziqli elastik sinish mexanikasi

Qabul qilingan yondashuv chiziqli elastik sinish mexanikasi mo'rt materialda oldingi yoriqni o'stirish uchun zarur bo'lgan energiya miqdorini taxmin qilishdir. Eng qadimgi sinish mexanikasi barqaror bo'lmagan yoriqlar o'sishiga yondashish - Griffits nazariyasi.^[3] Qo'llanilganda rejim I yoriqning ochilishi, Griffits nazariyasi kritik stress (${ displaystyle sigma}$) yoriqni ko'paytirish uchun zarur bo'lgan tomonidan berilgan

${ displaystyle sigma = { sqrt { cfrac {2E gamma} { pi a}}}}$

qayerda ${ displaystyle E}$ materialning Young moduli, ${ displaystyle gamma}$ yoriqning birlik maydoniga to'g'ri keladigan sirt energiyasidir va ${ displaystyle a}$ chekka yoriqlar uchun yoriq uzunligi yoki ${ displaystyle 2a}$ tekislik yoriqlari uchun yoriq uzunligi. Miqdor ${ displaystyle sigma { sqrt { pi a}}}$ deb nomlangan moddiy parametr sifatida joylashtirilgan sinishning qattiqligi. I rejimi sinishning qattiqligi uchun samolyot zo'riqishi sifatida belgilanadi

${ displaystyle K _ { rm {Ic}} = Y sigma _ {c} { sqrt { pi a}}}$

qayerda ${ displaystyle sigma _ {c}}$ uzoq maydon stressining muhim qiymati va ${ displaystyle Y}$ geometriyasiga, moddiy xususiyatlariga va yuklanish holatiga bog'liq bo'lgan o'lchovsiz omil. Miqdor ${ displaystyle K _ { rm {Ic}}}$ bilan bog'liq stress intensivligi omili va eksperimental ravishda aniqlanadi. Shunga o'xshash miqdorlar ${ displaystyle K _ { rm {IIc}}}$ va ${ displaystyle K _ { rm {IIIc}}}$ uchun aniqlanishi mumkin rejim II va model III yuklash shartlari.

Har xil shakldagi yoriqlar atrofidagi stress holatini ular bilan ifodalash mumkin stress intensivligi omillari. Lineer elastik sinish mexanikasi, yoriq uchidagi kuchlanish intensivligi koeffitsienti materialning sinish chidamliligidan kattaroq bo'lganda yorilish uzayishini taxmin qilmoqda. Shu sababli, kritik qo'llaniladigan stressni yorilish uchidagi kuchlanish intensivligi omili ma'lum bo'lgandan keyin ham aniqlash mumkin.

Energiyaga asoslangan usullar

Chiziqli elastik sinish mexanikasi usulini anizotrop materiallar uchun qo'llash qiyin (masalan kompozitsiyalar ) yoki yuklash yoki geometriya murakkab bo'lgan holatlar uchun. The kuchlanish energiyasini chiqarish darajasi yondashuv bunday holatlar uchun juda foydali ekanligini isbotladi. Plastinka qalinligidan o'tib ketadigan I crack rejimining kuchlanish energiyasini chiqarish darajasi quyidagicha aniqlanadi

${ displaystyle G_ {I} = { cfrac {P} {2t}} ~ { cfrac {du} {da}}}$

qayerda ${ displaystyle P}$ qo'llaniladigan yuk, ${ displaystyle t}$ plitaning qalinligi, ${ displaystyle u}$ bu yorilish o'sishi tufayli yukni qo'llash nuqtasidagi siljish va ${ displaystyle a}$ chekka yoriqlar uchun yoriq uzunligi yoki ${ displaystyle 2a}$ tekislik yoriqlari uchun yoriq uzunligi. Kuchlanish energiyasini chiqarish darajasi kritik qiymatdan oshib ketganda yoriq tarqalishi kutilmoqda ${ displaystyle G _ { rm {Ic}}}$ - deb nomlangan keskinlik energiyasini chiqarish darajasi.

The sinishning qattiqligi va kritik kuchlanish energiyasini chiqarish darajasi tekislikdagi stress bilan bog'liq

${ displaystyle G _ { rm {Ic}} = { cfrac {1} {E}} ~ K _ { rm {Ic}} ^ {2}}$

qayerda ${ displaystyle E}$ bu Yosh moduli. Agar yorilishning boshlang'ich kattaligi ma'lum bo'lsa, unda kuchlanish kuchini chiqarish darajasi kriteriyasidan foydalangan holda kritik stressni aniqlash mumkin.

Plastinka materialining buzilish mezonlari

Odatda egiluvchan materiallarning ishdan chiqishini bashorat qilish uchun foydalaniladigan mezonlar deyiladi Yo'l bering mezonlar. Plastinka materiallari uchun tez-tez ishlatiladigan nosozlik mezonlari:

• The Treska yoki maksimal kesishning stress mezonlari
• The fon Mises hosil berish mezonlari yoki buzilishning kuchlanish zichligi mezonlari
• The Gurson rentabelligi mezonlari bosimga bog'liq bo'lgan metallar uchun
• The Hosford rentabellik mezonlari metallar uchun
• The Tepalik hosil mezonlari
• Koshi stress tenzori invariantlariga asoslangan har xil mezon

The hosil yuzasi egiluvchan material odatda tajriba ortishi bilan o'zgaradi deformatsiya. Kuchlanish, harorat va kuchlanish darajasi oshib borishi bilan hosil bo'ladigan sirt evolyutsiyasi modellari yuqoridagi qobiliyatsizlik mezonlari bilan birgalikda qo'llaniladi. izotropik qotish, kinematik qotish va viskoplastiklik. Bunday modellardan ba'zilari:

• The Jonson-Kuk modeli
• The Shtaynberg-Gvinan modeli
• The Zerilli-Armstrong modeli
• The Mexanik pol stres modeli
• The Preston-Tonks-Wallace modeli

Plastinka materiallarining yana bir muhim jihati bor - bashorat qilish yakuniy qobiliyatsizlik egiluvchan materialdan. Muhandislik jamoatchiligi tomonidan yakuniy quvvatni taxmin qilishning bir nechta modellari turli darajadagi muvaffaqiyatlar bilan ishlatilgan. Metalllarda bunday qobiliyatsizlik mezonlari odatda g'ovaklilik va buzilish deformatsiyasining kombinatsiyasi yoki a bilan ifodalanadi zarar parametr.

Shuningdek qarang

• Sinish mexanikasi
• Singan
• Stress intensivligi omili
• Hosildorlik (muhandislik)
• Hosil yuzasi
• Plastisit (fizika)
• Strukturaviy nosozlik
• Materiallarning mustahkamligi
• Oxirgi nosozlik
• Zarar mexanikasi
• Strukturaviy quvvatga o'lchov ta'siri
• Betonning sinishini tahlil qilish

Adabiyotlar