Первый том коллективной монографии по разрушению твердых тел, написанной ведущими зарубежными специалистами в области механики и физики разрушения. В него входят обзоры по физике твердого тела, микроскопическим и макроскопическим механизмам разрушения, методам экспериментальных и теоретических исследований процессов разрушения. Наряду с классическими результатами подробно освещены и новейшие достижения. Изложение ведется на высоком научном уровне с привлечением обширного фактического материала. Книга богато иллюстрирована схемами, рисунками, фотографиями (общим числом около 300). Книга будет полезна широкому кругу специалистов — физиков, механиков, математиков и инженеров, работающих в важной и интенсивно развивающейся области механики разрушения материалов.

Предисловие редактора перевода
Предисловие. Перевод Р.Л. Салганика

Глава 1. Р.М. Томсон, Ф. Зейтц. СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. Перевод В.А. Городцова

Глава 2. Б. Билби, Дж. Эшелби. ДИСЛОКАЦИИ И ТЕОРИЯ РАЗРУШЕНИЯ. Перевод Р.Л. Салганика

Глава 3. Р.Л. Паттерсон, X. Вильсдорф. экспериментальные методы наблюдения ДИСЛОКАЦИЙ. Перевод В.А. Городцова

Глава 4. К.Д. Бичем. МИКРОПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ. Перевод А.С. Вавакина

Глава 5. Н. Петч. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРУШЕНИЯ. Перевод Р. Л. Салганика

Глава 6. В.Ф. Заккей, У.У. Герберич, Э.Р. Паркер, СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ РАЗРУШЕНИЯ. Перевод А.С. Вавакина

Глава 7. Б.Л. Авербах. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРУШЕНИЯ. Перевод Р.В. Гольдштейна

Глава 8. Д. Друккер. МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ. Перевод Р.Л. Салганика

Глава 9. Г. Кольский, Д. Рейдер. ВОЛНЫ НАПРЯЖЕНИЙ И РАЗРУШЕНИЕ. Перевод Р.В. Гольдштейна

Предметный указатель
Именной указатель

Предисловие редактора перевода

Проблема разрушения материалов находится на стыке различных наук: математики, механики, теоретической и экспериментальной физики и химии. В настоящее время она привлекает внимание исследователей своей фундаментальностью и практической важностью. Число публикаций, посвященных разрушению, весьма велико и все возрастает. Издаются два международных журнала, специально посвященных механике разрушения; ежегодно проводятся многочисленные конференции по различным аспектам разрушения. В этих условиях задача скорейшего введения читателя в современное состояние вопроса становится весьма актуальной. С нашей точки зрения, она в значительной мере решена созданием семитомного руководства по разрушению, вышедшего в США под редакцией крупного специалиста в этой области, профессора Гаролда Либовица. Первый том этого труда предлагается сейчас читателю.

Цели и задачи настоящего издания подробно освещены в предисловии Г. Либовица и не требуют дальнейших пояснений, поэтому мы ограничимся лишь тем, что отметим некоторые особенности этого издания.

Изложение отдельных вопросов специально повторяется в различных главах, которые в значительной мере самостоятельны, так что читатель получает всю информацию (включая также необходимые сведения повышенного уровня по математике и механике) в пределах одной главы и не должен обращаться к другим главам и монографиям. Такая структура книги, с одной стороны, удобна для читателя, а с другой стороны, позволила привлечь к ее написанию крупнейших ученых и представить несколько независимых точек зрения на предмет. Их сопоставление само по себе представляет большой интерес.

Книга сочетает в себе изложение фундаментальных теоретических вопросов наряду с экспериментальными результатами и практическими рекомендациями. Как нам представляется, она будет весьма полезна советским специалистам.

А.Ю. Ишлинский

Предисловие

Явление хрупкого разрушения влияло на жизнь людей — к лучшему или худшему — с самых истоков человеческого существования. Доисторический человек использовал хрупкое разрушение для придания формы каменным орудиям труда; он ощущал на себе его менее благотворные последствия в случае перелома конечностей. Добыча камня, придание ему формы, подгонка камней в строительных сооружениях, т. е. все существенные процессы древнего строительства, так же как и искусство ваяния, всецело зависят от умения управлять хрупким разрушением. И в наши дни многие процессы в промышленности и строительстве, например обработка материалов, связаны на определенном этапе с хрупким разрушением.

Однако происхождение большинства излагаемых в настоящем руководстве исследований связано с менее благоприятными проявлениями хрупкого разрушения, главным образом с внезапным катастрофическим выходом из строя конструкций в результате неожиданного хрупкого разрушения их составных частей. История техники, начиная с середины девятнадцатого столетия и даже несколько более раннего времени, изобилует подобными примерами. Одна из наиболее ранних зарегистрированных катастроф произошла на заводе в Олдхэме (Англия) в 1844 г., когда разрушение чугунных балок привело к гибели двадцати рабочих. Другая относящаяся к этому же времени катастрофа произошла в 1830 г., когда подвесной мост в Монрозе через реку Эск в Шотландии частично обвалился вследствие обрыва одной из главных несущих цепей, что привело к большим жертвам. В течение второй половины девятнадцатого и первой четверти двадцатого столетий в США было зарегистрировано огромное количество несчастных случаев подобного рода, связанных с мостовыми конструкциями, нефтепроводами, газгольдерами, водопроводными магистралями, водными резервуарами, паровыми котлами, подъемными кранами, оружием малого и большого калибров, рельсовыми путями и прочим железнодорожным оборудованием, а также многими другими подобными конструкциями, находившимися под действием как активных, так и пассивных нагрузок.

Эти события вызвали ряд отдельных исследований, которые доставили некоторые эмпирические сведения о «кристаллизации», «грануляции» и «усталости», а также привели к осознанию того, что при низких температурах вероятность хрупкого разрушения может возрастать. Однако в результате этих ранних исследований (до 1920 г.) ещё не возникла теоретически оформленная система научных представлений о хрупком разрушении.

Большая заслуга в создании теоретических основ хрупкого разрушения с позиций механики сплошной среды принадлежит Гриффитсу, который в двух основополагающих работах, опубликованных в начале двадцатых годов, впервые предложил объяснение явления хрупкого разрушения, основанное на понятии энергии, необходимой для распространения трещины. В 1926 г. Пирс впервые применил методы теории вероятностей к изучению прочности волокон, а в 1939 г. Вейбулл использовал статистические методы для исследования хрупкого разрушения. Основываясь на работах этих первооткрывателей, а также на работах Теодора Кармана, многие исследователи начали с разных сторон изучать явление хрупкого разрушения, и в сороковых годах были получены многочисленные результаты.

Дополнительным толчком к изучению хрупкого разрушения послужила возникшая во время второй мировой войны проблема разрушения, связанная с массовым производством кораблей сварной конструкции типа «Океан» и «Либерти», а также нефтеналивных танкеров типа Т2. В конце 1942 г. поступили доклады об имевших место на некоторых кораблях типа «Либерти» серьезных разрушениях, которые обычно описывались как внезапные и сопровождавшиеся громким звуком. Особенно большое внимание привлек случай со «Скенектеди». Этот корабль, первый танкер типа Т2, построенный компанией «Кайзер» в Портланде (Орегон), только что завершил ходовые испытания и 16 января 1943 г. вернулся на верфь. В половину одиннадцатого вечера того же числа в безветренную холодную погоду (температура воздуха —3,3 °С, температура воды +4,4 °С) этот корабль вдруг разломился надвое, как раз позади мостика. Разрушение произошло по всему корпусу, уцелела лишь обшивка днища. Корабль сложился как перочинный нож, и его нос и корма погрузились в илистое речное дно.

Вскоре после истории со «Скенектеди» в канале Амброз близ Нью-Йорка в совершенно тихую погоду разломился надвое другой корабль того же типа «Эссо Манхеттен». Этот корабль, постройка которого была завершена всего за семь месяцев до катастрофы, был той же конструкции, что и «Скенектеди», за исключением лишь того, что конструкция палубы позволяла использовать его в качестве вспомогательного авианосца.

Эти тревожные инциденты глубоко взволновали кораблестроительный мир и привели к интенсивным изысканиям, в результате которых было выявлено по крайней мере 12 случаев серьезных разрушений, произошедших до катастрофы со «Скенектеди»; к марту 1946 г. общее число сообщений о случаях разрушений подобного рода достигло 132, включая 99 с судами «Либерти» и 16 с танкерами Т2. В последующих отчетах было зарегистрировано на конец 1958 г. общим числом 319 случаев серьезных разрушений.

В настоящее время в результате исследований хрупкого разрушения получено много новой информации и достигнуты усовершенствования в конструкторской и технологической практике. Большинство авторитетов, однако, сходятся на том, что понимание основ этого явления остается в ряде отношений все еще недостаточным и что более всего необходимо углубление понимания связи между лабораторными испытаниями, теоретическими исследованиями и поведением материалов и конструкций в процессе эксплуатации. К настоящему времени большинство результатов исследований по хрупкому разрушению опубликовано фрагментарно и рассеяно по разнообразным журналам, читаемым физиками, инженерами-механиками, металлургами и др. Опубликованы также труды ряда конференций по хрупкому разрушению и связанным с ним вопросам. Однако на сегодняшний день все еще не имеется всестороннего подробного изложения предмета, которое адекватно сочетало бы микроскопическую и макроскопическую точки зрения на исследования и на само явление хрупкого разрушения.

При большом числе накопленных и еще большем числе появляющихся результатов исследований сейчас представляется своевременным собрать существенную информацию и представить основы теории так, чтобы иметь возможность критически оценить различные методы и экспериментальные изыскания в области хрупкого разрушения. Эти результаты вместе с создаваемыми ими предпосылками для конструирования должны быть доступными инженерам, студентам, исследователям, работающим в промышленных организациях, а также в учебных и исследовательских институтах и различных правительственных учреждениях. В этом состоит цель настоящего издания.

Дальнейший прогресс в понимании явления хрупкого разрушения и в применениях полученных знаний будет в большой степени зависеть от успеха объединения механики сплошных сред, с научными дисциплинами, относящимися к материаловедению, физике, математике и химии. Так как мало кто в равной мере- сведущ во всех этих областях, издание построено таким образом, что читатель сможет получить соответствующую информацию путем самообразования. Большинство глав написано так, чтобы они были полностью самостоятельными, включающими все необходимые подробности. Для удобства более сложные и громоздкие математические выводы вынесены в приложения к соответствующим главам. По возможности вычисления проведены на уровне, не выходящем за пределы вузовской программы. Включены численные примеры, иллюстрирующие инженерные приложения. Для иллюстративных целей широко использованы также фотографии и схемы. Там, где это было возможно и уместно, даны ссылки как на теоретические, так и на экспериментальные результаты и указана взаимосвязь между микроскопической и макроскопической точками зрения. Особенно важны разделы в конце каждой из глав, в которых указаны технические задачи и отдельные области исследований, требующие дальнейшей разработки для ликвидации имеющихся и ожидаемых в будущем пробелов в нашем понимании предмета.

Всюду, насколько это возможно, предпринималась попытка объединить атомистический и континуальный подходы; в частности, это нашло отражение в том, что в настоящем издании были приглашены принять участие многие выдающиеся специалисты по конструированию и материаловедению. Можно надеяться, что благодаря этому удалось достичь эффективного междисциплинного подхода к предмету.

Издание «Разрушение» в его полном объеме охватывает семь основных областей: 1) микроскопические и макроскопические основы разрушения; 2) математические основы разрушения; 3) инженерные основы разрушения и влияние на него окружающей среды; 4) принципы проектирования с учетом разрушения; 5) проектирование конструкций с учетом разрушения; 6) разрушение металлов и 7) разрушение неметаллов и композитов.

В настоящем томе, первом из семитомного руководства «Разрушение», излагаются микроскопические и макроскопические основы разрушения. В первой главе, написанной Р. Томсоном и Ф. Зейтцем, дан обзор аспектов физики твердого тела, которые имеют отношение к проблеме разрушения. Здесь представлен материал по таким стандартным предметам, как кристаллография и колебания решеток с особым упором на несовершенства в кристаллах, в первую очередь на точечные дефекты. Дано элементарное изложение основ теории диффузии. Авторы рассматривают также электронные зоны и их появление, уделяя особое внимание влиянию структуры этих зон на феноменологическое описание твердых тел. В первую главу включен также раздел об электронных свойствах несовершенств в твердых телах, чтобы подчеркнуть явление экранирования в металлах. Глава завершается разделом о физических свойствах поверхностей, в котором обсуждаются некоторые новые экспериментальные результаты и дается введение в квантовую механику поверхностей.

Во второй главе Б. Билби и Дж. Эшелби рассматривают вклад, который теория дислокаций вносит в понимание процесса разрушения твердых тел, в частности кристаллических твердых тел. Они показывают, что кристаллическая дислокация не только играет важную роль в процессах разрушения сама по себе, но и само понятие дислокации имеет значительно более широкое значение в понимании механики разрушения всех тел, потому что дислокация в континууме в отличие от физической дислокации в кристаллах играет важную роль в общей теории внутренних напряжений. Авторы, таким образом, показывают, что важно проводить различие между двумя совершенно разными ролями теории дислокаций в механике разрушения и в процессах разрушения. На протяжении гл. 2 её авторы концентрируют внимание на использовании методов теории дислокаций для количественной разработки как вопросов зарождения разрушения кристаллов, так и общих принципов макроскопической механики разрушения.

В третьей главе Р. Паттерсон и X. Вильсдорф представили по существу четыре экспериментальных метода наблюдения дислокаций. Они описывают, каким образом точки появления дислокаций на поверхности идентифицируются в качестве ямок травления, которые можно наблюдать с помощью либо оптических, либо электронных микроскопов. Эти инструменты можно использовать также для обнаружения дислокаций, которые «декорированы» выделениями. Два других метода, а именно метод рентгеновской топографии и метод дифракции электронов, используют явление дифракции для того, чтобы сделать дислокации видимыми. Оценена эффективность изучения дислокаций каждым из методов. Приведены примеры анализа соответствующих видов разрушения, иллюстрирующие полезность этих методов. В дополнение к рассматриваемым практическим аспектам в каждом разделе представлены некоторые теоретические соображения. Авторы подчёркивают тот факт, что в настоящее время исследования в этой области отражают лишь начало развития, которое будет ускоряться в будущем, и указывают, что полезность дифракционной электронной микроскопии возрастет в ближайшем будущем благодаря появлению высоковольтных приборов, которые позволят проводить исследования более толстых образцов.

В четвертой главе К. Бичем обсуждает микроскопические механизмы разрушения с помощью электронной фрактографии. Рассматривается техника репликации и переменные факторы электронной микроскопии в их связи с интерпретацией фрактограмм и обнаружением методических погрешностей. Обсуждаются методы стереоскопической электронной фрактографии и прецизионного сопряжения.

В пятой главе, написанной Н. Петчем, представлены некоторые металлографические аспекты разрушения. Рассмотрены три типа разрушения в зависимости от структуры: хрупкое разрушение, скол (кливаж), вязкое разрушение. Гриффитсовские трещины, несомненно, важны в хрупком материале, однако истинная хрупкость может быть редкой. Для объяснения структурных эффектов, наблюдаемых при сколе, привлечена теория дислокации.

Глава завершается кратким обзором исследований по вязкому разрушению.

В шестой главе В. Заккей, У. Герберич и Э. Паркер рассматривают типы разрушений конструкционных материалов. Они обсуждают структурные типы хрупкого и вязкого разрушений как при статическом, так и при циклическом нагружениях с учетом вида окружающей среды. Современные концепции хрупкого разрушения представлены в рамках микроструктурных и макроструктурных теорий дефектов. Зарождение и последующий рост микротрещин в пластичных материалах рассмотрены с помощью представлений об элементах микроструктуры. Авторы приходят к выводу, основанному в первую очередь на результатах фрактографических исследований, что рост трещин может происходить как посредством непрерывного отрыва, так и посредством образования пустот перед продвигающимся концом трещины. Используя сравнительно новый метод улавливания волн напряжения, испускаемых перемещающимся концом трещины, они получили, исходя из основных принципов, континуальную модель для предсказания времени до разрушения водородно-охрупченного образца. Всюду в этой главе демонстрируются связи между континуальным и микроструктурным аспектами разрушения; экспериментальные методы фрактографии и эмиссии волн напряжения особенно полезны в этом отношении. Показано, что характеристики разрушения тесно связаны с внутренней структурой материалов, с кристаллической структурой, оказывающей очень существенное влияние. Рассмотрены типы разрушения как г. ц. к.-, так и о. ц. к,- металлов, а также температура (на самом деле некоторый интервал температур), при которой происходит изменение типа разрушения — температура «вязкохрупкого» перехода — и которая, как показано, изменяется в зависимости от материала, микроструктуры и геометрии образца.

В седьмой главе Б. Авербах обсуждает физику материалов и микроскопические аспекты разрушения. В этой главе показано, каким образом макроскопическая сила расширения трещины при отрыве выражается через основные микроскопические величины. (В этом обсуждении принимается, что разрушению всегда предшествует пластическое течение и что этот механизм создает концентрацию напряжений, необходимую для достижения теоретического разрушающего напряжения.) Установлено, что теоретическое минимальное значение силы расширения трещины при отрыве имеет порядок 2×10⁶ дин/см; кроме того, показано, что сила, необходимая для образования микроскопической трещины, определяется работой сцепления, которая, как подсчитано на основе измеренных энергий сцепления, изменяется в диапазоне от 140 дин/см для полимера с молекулярными связями до 4000 дин/см для железа. Наконец, автор отмечает, что макроскопическое продвижение трещины происходит в результате соединения микроскопических разрывов, образующих трещину критического размера, и суммирования соответствующих микроскопических сил расширения трещины, дающих минимальное значение макроскопической силы расширения трещины при сколе G_ic.

В восьмой главе Д. Друккер даёт общее введение в приложения механики сплошных сред к проблеме хрупкого разрушения. Значительное внимание уделено тому известному, но часто игнорируемому факту, что большинство разрушений металлических конструкций, которые выглядят и описываются как хрупкие, являются на самом деле разрушениями при достижении предельной нагрузки или происходят при полностью пластических условиях. Автор описывает хрупкое разрушение как квазихрупкое разрушение с некоторым отрывом или псевдохрупкое разрушение, происходящее путем слияния пустот при нагрузке, гораздо меньшей предельной. Он полагает, что подход Гриффитса — Ирвина — Орована, основанный на уравнении энергетического баланса или коэффициенте интенсивности напряжений, уместен и исключительно полезен, когда локальная текучесть весьма ограничена при наличии малых поперечных стеснений и когда различие между статическим инициированием и динамическим распространением разрушения мало, т. е. когда мал барьер инициирования разрушения. Он показывает, однако, что для таких материалов, как горячекатаная углеродистая конструкционная сталь, которые в состоянии поставки обладают непомерно большим барьером инициирования разрушения, необходим совершенно иной подход. Он подчеркивает, что поскольку хрупкое разрушение может распространяться при неэкономично низких средних напряжениях, а для инициирования разрушения нужно достичь или превзойти предельную нагрузку или номинальный предел текучести, то в центре внимания должно быть влияние предыстории на величину барьера инициирования разрушения.

Д. Друккер также пытается разъяснить некоторые недоразумения, возникающие при первом чтении литературы по этим двум различным областям в связи с использованием в них одной и той же терминологии. Он проводит различие между простыми формами тщательно изготовленных изделий из высокопрочных материалов и сложными конструкциями, такими, как суда, которые изготовляются и ремонтируются в полевых условиях. Он подчеркивает, что состояние и стесненность материалов в начале и вдоль пути разрушения в лабораторном образце должны точно воспроизводить наихудшие условия стеснения, предысторию и влияние окружающей среды, которых можно ожидать для прототипа.

В заключительной главе Г. Кольский и Д. Рейдер рассматривают волны напряжений как причину разрушения и вопрос о том, каким образом волны напряжений влияют на положение, геометрию и размеры разрывов. Оказывается, что прочность хрупких тел в условиях кратковременного нагружения больше, чем при нормальных условиях нагружения. Устанавливается, что максимальная скорость распространения трещин составляет примерно третью часть скорости продольных волн в среде, и обсуждаются причины этого. Наконец, авторы исследуют связь кавитации с хрупким разрушением. Бегущая трещина может существовать только тогда, когда продолжительность импульса мала по сравнению с временем релаксации.

Редактор с признательностью отмечает исключительное сотрудничество авторов и их неизмеримые затраты времени и усилий. Своим успехом настоящее издание обязано им. Мне также хочется выразить благодарность Научно-исследовательскому управлению военно-морских сил США, Университету Джорджа Вашингтона и Католическому университету Америки за оказанную помощь в завершении этого труда. Этот перечень не будет полным, если не упомянуть профессора Э. Фрейденталя из Колумбийского университета, подсказавшего мне много плодотворных идей в процессе подготовки рукописи.

Г. Либовиц