Книга представляет собой первую часть заключительного, седьмого тома известной серии монографий, посвященных механике разрушения и ее инженерным проблемам. В этом томе собрана ценнейшая информация по физике и механике разрушения самых разнообразных веществ и материалов, как создаваемых в процессе производственной деятельности человека, так и образующихся в природных условиях. Том разбит на две части, посвященные неорганическим и органическим материалам. В данной книге (часть I) рассматриваются разрушение и прочность неорганических материалов — волокнистых композитов, дисперсионно-упрочненных сплавов, керметов, традиционных материалов — стекла и горных пород — и сравнительно новых перспективных сплавов — окисных керамик. Книга будет полезна как специалистам, занимающимся теорией прочности,— физикам, механикам, математикам, геологам, горным инженерам, так и инженерам-конструкторам, материаловедам, технологам, применяющим отдельные из рассмотренных в ней материалов.

Предисловие редактора русского издания
Предисловие редактора американского издания к 7-му тому серии «Разрушение». Перевод С.Т. Милейко

Глава 1. К. Дж. Филлипс. Разрушение стекла. Перевод П.Ф. Кошелева
Глава.2. Л. Оберт. Хрупкое разрушение гордых пород. Перевод Е.В. Ломакина
Глава 3. Р. Дж. Стокс. Микроскопические аспекты разрушения керамики. Перевод С.Т. Милейко
Глава 4. Р.Л. Кобл, Н.М. Парих. Разрушение поликристаллической керамики. Перевод С.Т. Милейко
Глава 5. Б.У. Розен, Н.Ф. Дау. Механика разрушения волокнистых композитов. Перевод А.Н. Полилова
Глава 6. X.Т. Кортен. Механика разрушения композитов. Перевод А.Н. Полилова
Глава 7. Дж. Герланд, Н.М. Парих. Микроструктурные аспекты разрушения двухфазных сплавов. Перевод Л.И. Миркина
Глава 8. У.ф. Уикс, А. Ассур. Разрушение озерного и морского льда. Перевод В.Г. Глебовского

Предметный указатель

Предисловие редактора русского издания

Предлагаемый читателю заключительный, седьмой том «Разрушения» содержит чрезвычайно разнообразный материал, относящийся к различным неметаллическим объектам и композитам. Краткое резюме отдельных глав содержится в довольно большом по объему и содержательном предисловии редактора американского издания проф. Либовица; к этому предисловию мы и отсылаем читателя.

По техническим причинам оказалось невозможным выпустить весь том в одной книге, поэтому материал пришлось разбить на две части. В первую часть включены главы, относящиеся к материалам неорганического происхождения, — стеклам, горным породам, керамике, льду, двухфазным сплавам. При этом мы стремились сохранить тот порядок изложения, который был принят в оригинальном издании.

Вторая часть почти целиком содержит материал по механике и физике разрушения полимеров как в стеклообразном, так и в высокоэластическом состояниях). Стоящая особняком глава о механических свойствах костей, как нам кажется, вписывается во вторую часть лучше, чем в первую. Вообще же проведенная граница между первой и второй частями этого тома, конечно, довольно условна.

В настоящем, седьмом томе все достоинства и недостатки энциклопедического семитомного издания сфокусированы, может быть, наиболее выпукло. Все главы написаны видными специалистами в соответствующих узких областях, иногда один и тот же предмет трактуется в двух разных главах разными людьми независимо и параллельно (с неизбежными повторениями). Убеждение в том, что «разрушение» в широком смысле слова служит той областью, где скрещиваются интересы и подходы представителей разных наук, стало более или менее общим убеждением. Этот принцип и был положен проф. Либовицем в основу при составлении плана всего издания. Однако нужно признать, что представители разных наук продолжают еще часто говорить на разных языках, что отчасти сказалось в неоднозначности терминологии и обозначений, особенно заметной в предлагаемом седьмом томе. Некоторые статьи, принадлежащие крупным специалистам и содержащие обширную информацию, написаны довольно небрежно. Эти обстоятельства затруднили работу переводчиков и редактора, которые стремились произвести некоторую унификацию, не пытаясь в то же время причесывать всех авторов под одну гребенку. Как и в предыдущих томах, текст воспроизводится целиком без пропусков и сокращений; читатель не должен поэтому удивляться, встретив здесь еще не раз вывод формулы Гриффитса.

Для большинства представленных в этом томе авторов характерно недостаточное знакомство с советскими исследованиями; приводимые ими ссылки на работы советских авторов (за исключением, может быть, главы о льде) далеко не полны и охватывают, как правило, лишь те работы, которые были опубликованы в зарубежных изданиях. По всем рассматриваемым вопросам на русском языке имеется обширная литература в виде журнальных статей, а во многих случаях и монографий, однако мы не сочли целесообразным делать соответствующие дополнения к тексту, в частности, по той причине, что это привело бы к недопустимому увеличению и без того большого объема книги.

Несмотря на все указанные недостатки, книга, безусловно, будет с интересом встречена читателем. В ней собраны и систематизированы результаты огромного количества теоретических и экспериментальных исследований механики и физики разрушения перечисленных выше материалов, интерес к которым в последние годы неизменно возрастает.

Книга, несомненно, окажется полезной для довольно широкого круга читателей — инженеров и научных работников, связанных с применением неметаллических материалов и композитов в конструкциях. Вопросы прочности ледового покрова и костей животных и человека, очевидно, привлекут внимание читателей иного профиля, но рассмотрение этих вопросов в общем контексте с другими структурами имеет свои преимущества.

В заключение редактор должен поблагодарить С.Т. Милейко, который оказал большую помощь, просмотрев перевод ряда глав и внеся многочисленные исправления и уточнения.

Глава 1 переведена канд. техн. наук П.Ф. Кошелевым, гл. 2 — канд. физ.-мат. наук Е.В. Ломакиным, гл. 3 и 4 — д-ром техн. наук С.Т. Милейко, гл. 5 и 6 — канд. техн. наук А.Н. Полиловым, гл. 7 — д-ром техн. наук Л.И. Миркиным, гл. 8 — канд. техн. наук В.Г. Глебовским.

Ю.Н. Работнов

Предисловие редактора американского издания

В предлагаемом заключительном томе семитомного издания по разрушению анализируется поведение неметаллов и композитных материалов.

Прогресс в понимании процессов разрушения и в практическом применении этих знаний в большой степени зависит от того, насколько успешно удается связать механику сплошной среды с выводами других научных дисциплин — материаловедения, физики, математики и химии. Поскольку лишь очень немногие специалисты имеют одинаковые познания во всех этих областях науки, публикуемые в данном труде материалы изложены таким образом, чтобы читатель мог самостоятельно получить всю необходимую ему информацию. Большинство глав написано весьма детально; там, где это представлялось целесообразным, сложные и громоздкие математические выкладки были вынесены в приложения. Авторы по возможности ориентировались на уровень математической подготовки читателя, соответствующий втузовским программам. В тексты включены численные примеры, относящиеся к техническим приложениям; широко использованы фотоиллюстрации и схемы. Всюду, где это было возможно и уместно, приводились как теоретические, так и экспериментальные результаты и указывалась взаимосвязь между микроскопической и макроскопической точками зрения. Особое значение имеют разделы, помещенные в конце каждой главы, в которых формулируются технические задачи и конкретные направления исследований, требующие сосредоточения усилий с целью устранения существующих и ожидаемых пробелов в наших представлениях о разрушении [Редакционные требования исключали возможность ссылок на источники, опубликованные позже 1966 г.]).

В каждом из томов этого издания предпринимались попытки по возможности полно объединить механический и физический подходы, в частности, путем приглашения в качестве авторов видных специалистов в соответствующих областях. Можно надеяться, что таким образом был реализован эффективный подход к изучению проблем разрушения, учитывающий взаимное влияние смежных дисциплин.

Настоящий семитомник охватывает следующие важные проблемы (в соответствии с количеством томов): 1) основы микроскопической и макроскопической теорий; 2) математические основы теории разрушения; 3) технические приложения и влияние среды; 4) проектирование с учетом механики разрушения; 5) расчет конструкций на разрушение; 6) разрушение металлов; 7) разрушение неметаллов и композитов.

Том 7 начинается с главы К.Дж. Филлипса, в которой дается обзор экспериментальных данных по разрушению стекла, при этом подчеркивается сложность явления в целом. Обсуждается и решается утвердительно вопрос о применимости максимального растягивающего напряжения в качестве критерия разрушения. Излагаются методы оценки предельной, или теоретической, прочности и поясняются некоторые затруднения, связанные с применением простых моделей.

Высокая теоретическая прочность сравнивается с обычно наблюдаемыми намного меньшими величинами, и с целью объяснения этого расхождения вводится представление о концентрации напряжений около дефектов. Выводятся критерии Инглиса и Гриффитса; они сравниваются между собой и с другими методами расчета прочности. Подчеркивается важность состояния поверхности и дается обзор сведений, которые обычно могут быть получены в результате исследования поверхностей разрушения. Обсуждаются статистические теории, основанные на концепции дефектности тела, раскрываются их достоинства и недостатки. Подчеркивается, что исчерпывающее объяснение статической усталости стекла требует предположения о протекании некоторого рода коррозии под напряжением (скорость которой зависит, по- видимому, от напряжения). Коррозия может существенным образом влиять на концентрацию напряжений у кончиков трещин. Чтобы описать влияние повышенных температур, необходимо также принять гипотезу о механизме поверхностного разупрочнения, основанном на действии пыли, воды или на расстекловывании, а возможно, и на всех трех процессах сразу. Обсуждаются недавние эксперименты по ионному обмену и подчеркивается реальность нескольких типов микротрещин, вносимых в стекло при его обработке. Приводятся данные о четырех интервалах прочности стекла и там, где это возможно, устанавливается их корреляция с представлениями о чувствительности к надрезу, коррозии под напряжением и поверхностном разупрочнении. Показано, что некоторые экспериментальные данные не могут быть в настоящее время объяснены на основе этих представлений. Обсуждаются новые критерии разрушения и намечаются некоторые области для дальнейших исследований.

Глава 2 написана Дж. П. Берри; она посвящена разрушению полимеров в стеклообразном состоянии. Эти материалы могут разрушаться хрупким или вязким образом в зависимости от температурно-временных условий эксперимента. Хотя эти экстремальные проявления свойств полимеров и переходные состояния можно анализировать в рамках гипотезы Людвика, необходимо выяснить действительные механизмы разрушения, с тем чтобы указать факторы, определяющие тот или иной тип поведения для любого наперед заданного набора внешних условий. Приложение теории гриффитсовой трещины к хрупкому разрушению приводит к выводу, что поверхностная энергия разрушения и характерный размер дефекта являются существенными параметрами материала. Изучение влияния различных условий эксперимента на эти параметры для различных материалов указывает на их взаимную зависимость. Основной вклад в величину первого параметра (поверхностная энергия разрушения) вносит энергия, необходимая для образования слоя модифицированной структуры в окрестности поверхности разрушения, в то время как второй параметр связан с сеткой волосных трещин, развивающейся в этих материалах при нагружении. Детальное исследование структуры этих сеток показывает, что отдельные волосные трещинки представляют собой плоские области, образующиеся в условиях гидростатического растяжения и состоящие из ориентированного материала, содержащего около 50% по объему взаимосвязанных пор. Считается, что слой, прилегающий к поверхности разрушения, обладает аналогичной структурой, и процесс хрупкого разрушения этих материалов включает образование и последующее разрушение зон волосных трещин.

[* Начиная с гл. 2 вся последующая нумерация глав в русском переводе пе совпадает с нумерацией американского оригинала, на которую ссылается проф. Г. Лпбовнц в данном предисловии. Это объясняется тем, что гл. 2, 6, 7 и 10 выделены в самостоятельную книгу (ч. II), посвященную органическим материалам. Обсуждаемая ниже гл. 2 Берри вошла во вторую часть данного тома (см. ч. II, гл. 1). Предисловие Либовица нами воспроизводится здесь полностью.— Прим. ред.]

В полимерах важны временные эффекты; большой объем соответствующих экспериментальных данных может быть систематизирован на основе феноменологических теорий, которые имеют ту же форму, что и теории, построенные на рассмотрении процессов на молекулярном уровне. К сожалению, феноменологические теории игнорируют структурные эффекты, так же как в структурных теориях пренебрегают временными эффектами, поскольку их нелегко сочетать с гриффитсовым подходом. Поэтому в настоящее время мы не располагаем еще удовлетворительной исчерпывающей теорией разрушения полимеров, и в качестве необходимого шага на пути построения такой теории подчеркивается необходимость выявления роли структурных факторов в процессе разрушения.

Следующая глава написана Л. Обертом, рассматривающим механику разрушения горных пород в основном с инженерной точки зрения. Развитие стройной теории разрушения горных пород усложняется рядом обстоятельств, и в частности чрезвычайным структурным разнообразием пород. С более или менее детального обсуждения этих обстоятельств и начинается изложение. Далее дается обзор экспериментальных способов отыскания предельных напряженных состояний. В предложенных с этой целью методах напряженное состояние образцов может быть как однородным, так и неоднородным, и предельные напряженные состояния, полученные в этих двух типах экспериментов, часто не согласуются между собой. В связи с этим обсуждаются возможные причины расхождения опытных данных. Обзор теорий разрушения Кулона — Навье, Мора и Гриффитса сопровождается анализом их сильных и слабых мест. Исследуются процессы развития исходных зародышей разрушения и ветвления трещины, которые приводят к окончательному разрушению. В последнем разделе «Заключение» излагается состояние вопроса в целом. Указаны области, в которых информация в части механизмов разрушения горных пород недостаточна или противоречива, предложены вопросы, подлежащие дальнейшему исследованию.

В гл. 4 Р. Дж. Стокс [Глава 3 настоящей книги (т. е. ч. I).— Прим. ред.] дает обзор поведения простых однофазных керамик. Керамики могут быть разделены на абсолютно хрупкие, полухрупкие и пластичные. Кроме того, делается различие между поведением керамик при низких и высоких температурах.

Абсолютно хрупкие керамики совершенно не способны пластически деформироваться. Их разрушение определяется развитием внесенных тем или иным способом дефектов. В поликристаллических материалах на разрушение работают остаточные напряжения и межзеренные дефекты.

Полухрупкие керамики могут пластически деформироваться, но число систем скольжения в них ограниченно. Это приводит к проблемам аккомодации, которые играют свою роль на всех стадиях процесса разрушения. Трещина может зарождаться на поверхностных дефектах, но причины трещинообразования могут быть и более фундаментальными, а именно вызванными взаимодействием полос скольжения с нарушениями структуры, такими, как другие полосы скольжения, границы сброса или границы зерен. Подрастание трещины до критических размеров, а также низкая поверхностная энергия разрушения, связанная с распространением трещины в полухрупких керамиках, — это также результаты ограниченности скольжения.

В пластичных керамиках скольжение не ограничено, что приводит к полной аккомодации между пластически деформированными зонами и нерегулярностями структуры. Деформация в таких материалах продолжается до пластического разрушения.

При высоких температурах абсолютно хрупкие керамики обычно становятся полухрупкими. Проблемы аккомодации на границах зерен в поликристаллических материалах приводят к проскальзыванию по границам зерен и межзеренному разрушению.

Полухрупкие керамики при высоких температурах становятся пластичными благодаря постепенному смягчению условий аккомодации. В поликристаллических керамиках скольжение в достаточном числе систем скольжения, полигонизация, миграция границ зерен и рекристаллизация — все эти процессы вносят свой вклад в общую пластичность и возникновение пластичного разрушения.

Глава 5 [Глава 4 настоящей книги.— Прим. ред.] P.Л. Кобла и H.М. Париха представляет собой обзор эмпирической информации относительно разрушения поликристаллических керамик и достигнутого уровня понимания этих процессов. Обзор ограничен материалами, которые были исследованы в широкой области значений определяющих параметров, на основании чего могут быть выявлены основные факторы, контролирующие разрушение (в основном это керамики Al₂O₃ и MgO).

Высокая прочность, достигаемая на монокристаллических усах и на микроскопических кристаллах, поверхность которых подвергнута пламенной полировке, принимается в качестве подтверждения расчетов теоретической прочности. Следовательно, малая прочность поликристаллических керамик требует для своего объяснения наличия в исходном состоянии материала дефектов. Авторы описывают два обобщенных типа поведения: дефекты приводят к пластической деформации или же распространяются прямо по достижении напряжения, удовлетворяющего модифицированному критерию Гриффитса — Орована. Это означает, что прочность оказывается выше величины (Eγ/d)½, где Е — модуль упругости, γ — поверхностная энергия, d — размер зерна. В материалах со структурой каменной соли при низких температурах дефекты, существующие в исходном состоянии, сначала вызывают пластическое течение в первичных системах скольжения. Распределение сдвигов определяет вид кривой деформирования в неупругой области и одновременно сопротивление распространению трещины. Критерий окончательного разрушения становится сложным, но главное здесь то, что в подобных случаях пластическое течение предваряет разрушение. Тот факт, что наблюдаемые в эксперименте прочности превышают величины, даваемые критерием Гриффитса — Орована, может быть объяснен пластической деформацией у копчика движущейся трещины, в результате чего эффективная поверхностная энергия, определяющая разрушение, оказывается выше действительной поверхностной энергии.

Пластическая деформация окиси алюминия в процессе разрушения при низких температурах проявляется по-разному. С разрушением может быть связано двойпикование и деформация дислокационной природы; однако нельзя с уверенностью сказать, предшествует ли пластическая деформация зарождению трещины или же она происходит только в процессе распространения трещины. Величины прочности поликристаллической окиси алюминия, превышающие прочность, которая следует из гриффитсова критерия, могут быть объяснены тремя путями: 1) трещина, двигаясь по зерну, притупляется, достигая границы зерна, прежде чем проскакивает в соседнее зерно; 2) высокие значения эффективной поверхностной энергии связаны с пластической деформацией, сопровождающей распространение трещины; 3) исходные дефекты, которые развиваются в процессе разрушения, имеют большие радиусы кривизны, чем они принимаются в расчете по Гриффитсу — Оровану. Необходимы дальнейшие исследования, с тем чтобы определить, распространяются ли исходные дефекты, или трещины формируются в результате пластической деформации. В ряде горных пород, подверженных сжимающим нагрузкам, а также иногда в природных керамиках, нагружаемых изгибом или растяжением, обнаруживается множественное растрескивание перед разрушением. Эти наблюдения дают основание полагать, что в поликристаллической матрице зародившиеся трещины тормозятся затем с помощью механизмов, до сих пор достаточно надежно не идентифицированных.

Высокопрочные мелкозернистые материалы поддаются упрочнению путем тщательной обработки поверхности; вероятно, прочность образцов, обработанных по обычной технологии, в наибольшей степени определяется наличием поверхностных дефектов и, быть может, канавок в местах выхода границ зерен па поверхность. Пористые образцы, крупнозернистые образцы, а также образцы, содержащие включения, не поддаются упрочнению путем улучшения качества поверхности. Предполагается, что в этих случаях поры представляют собой источники зарождающегося разрушения, они вызывают такое снижение прочности, что поверхностная обработка оказывается бесполезной.

В области низких температур влияние температуры на прочность обсуждается в связи с независимыми изменениями с температурой модуля упругости, поверхностной энергии и остаточных напряжений, возникающих вследствие анизотропии коэффициента термического расширения. Постепенный переход от внутризеренного к межзеренному разрушению с ростом температуры в настоящее время не имеет должной интерпретации применительно к температурам ниже той, при которой начинается проскальзывание по границам зерен, поскольку мы по существу не располагаем фундаментальными сведениями о структуре и свойствах границ, которые позволяли бы предсказывать изменения с температурой прочности границ в сравнении с прочностью самих кристаллитов. Рассматривая роль остаточных напряжений, существующих вследствие анизотропии коэффициента термического расширения, авторы приходят к выводу, что опа, по-видимому, существенна лишь в качестве причины спонтанного растрескивания крупнозернистых материалов.

Влияние пористости анализируется в связи с изменением вместе с пористостью модуля упругости. Оказывается, что если предположить постоянство коэффициента концентрации напряжений и учесть его вместе со средним напряжением, рассчитываемым по данным о модуле упругости, то для некоторых материалов удается найти зависимость прочности от пористости. Изменение коэффициента концентрации напряжений с изменением формы пор ведет к зависимости прочности от пористости, отличной от зависимости между модулем упругости и пористостью. В тех случаях, когда прочность падает с ростом пористости медленнее, чем модуль упругости, предполагается изменение самого механизма разрушения.

При высоких температурах как в окиси магния, так и в окиси алюминия наблюдается порообразование на границах зерен, проскальзывание по границам и межзеренное разрушение, хотя в этих двух керамиках работают различные механизмы деформации (общее скольжение и диффузионная ползучесть соответственно). Для обоих случаев нет достаточной экспериментальной информации, которая позволила бы сформулировать или проверить критерий разрушения.

В гл. 6 [См. ч. II, гл 2. — Прим. ред.], написанной A.Н. Джентом, рассматривается разрушение высокоэластических полимеров — эластомеров. Эти материалы не являются идеально упругими, часть энергии, затрачиваемой па деформирование, рассеивается на преодоление вязкого сопротивления движению молекулярных цепочек и на разрушение структуры, связанной с дисперсными твердыми частицами (наполнителя) или с кристаллическими областями. Недавно было показано, что перечисленные энергетические потери определяют сопротивление эластомеров различным типам разрушения — отрыву при растягивающих напряжениях, раздиру, поверхностному растрескиванию в атмосфере озона, растрескиванию и разрушению при циклическом деформировании (усталость), абразивному износу. Это позволило свести описание разнообразных типов поведения различных эластомеров в широком диапазоне температурно-временных условий в единые рамки, а также показало важность конкретных приложений механики разрушения. Как способ трансформации упругой энергии в акты разрушения молекулярных цепочек, так и эффективность этого преобразования зависит от механических особенностей процесса разрушения, которые изменяются с переходом от одного типа разрушения к другому. Автор обращает внимание на одну из форм потери несущей способности, которую было бы уместно именовать «упругой неустойчивостью», поскольку ее можно количественно предсказать, зная только упругие характеристики материала.

В гл. 7 [См. ч. II, гл 3. — Прим. ред.] Ф.Р. Эйрих и Т.А. Смит утверждают, что эластомер представляет собой неплотную сетку молекулярных цепочек, которая, по существу, является жидкостью. Эта сетка прочна только тогда, когда оптимальное внутреннее трение в соответствующем диапазоне температур и скоростей растяжения приводит к ориентированию цепочек и частичной кристалличности. Эластомер становится прочным и тогда, когда наполнение его твердыми частицами приводит к локальным трехосным деформациям и снижению неоднородности поля напряжений, вызывает изменения плотности без нарушения самоармирования и диссипацию энергии на дефектах. С ростом вязкости растет и прочность, но возможность использования эластомера на этом заканчивается, поскольку каучукообразное состояние переходит сначала в нечто напоминающее кожу, а затем материал становится твердым и стеклообразным. С уменьшением самоармирования и диссипации энергии в связи с уменьшением внутренней вязкости каучуки становятся менее прочными.

Практически все современные эластомеры образуются молекулярными цепочками с углерод-углеродными связями. Исключениями являются кремнийорганические и полиуретановые смолы, а также некоторые не очень важные эпоксидные смолы; но даже и в этих случаях характеристики эффективных цепочек в основном не изменяются. Поэтому не удивительно, что если существенные факторы, определяющие жесткость цепочки и податливость сетки, учесть путем нормирования по температурам и скоростям деформации и по плотностям поперечных связей, то деформационные характеристики большинства каучукоподобных полимеров практически совпадают, а их максимальные прочности становятся сравнимыми.

Важный прогресс достигнут в механике вязкоупругих материалов применительно к расчетам конструкций. Получены, в частности, критерии разрушения этих материалов, разработаны способы анализа сплошной среды со структурой и расчета термических напряжений. Построены поверхности разрушения в координатах напряжение — деформация — температурно компенсированное время, которые дают достаточно надежный способ предсказания прочности при малых, средних и больших временах. Предельная плоская кривая разрушения (пересечение поверхности разрушения с плоскостью напряжение — деформация в первом квадранте) оказалась особенно полезной. Эта кривая гипотетически представляет собой сложный результат наложения трех независимых критериев разрушения, а именно критерия разрушения стеклообразного тела, критерия для рассеивающего энергию высокоэластического вязкого каучукоподобного тела и, наконец, критерия для малоэнергоёмкой практически идеально упругой неоднородной каучуковой сетки.

В следующей главе Б.В. Розен и Η.Ф. Дау [Глава 5 настоящей книги — Прим. ред.] предприняли обзор подходов к анализу разрушения волокнистых композитов. Авторы приводят механические и геометрические характеристики волокон, которые ведут к необычным для однородных материалов типам разрушения композитов. Подчеркивается влияние свойств матрицы на уровень разрушающих нагрузок композита. Анализируется несущая способность однонаправленных композитов при одноосном растяжении и сжатии в направлении волокон и при сдвиге как в плоскости, совпадающей с направлением армирования, так и в трансверсальной плоскости. Далее рассматривается использование этих теорий разрушения при построении критерия разрушения сложного композита с многонаправленным армированием. Обсуждаются экспериментальные методы определения прочности композитных материалов, предлагаются новые методы.

Авторы пришли к выводу, что, хотя композиты и обнаруживают много новых видов потери несущей способности, они открывают возможности создания материалов с намного большими резервами по прочности и жесткости, чем у обычно применяемых однородных материалов. Подчеркивается необходимость использования результатов исследований микромеханики волокнистых композитов в качестве руководства при разработке более совершенных материалов.

В гл. 9, посвященной механике разрушения композитов, X.Т. Кортен излагает концепции линейной механики разрушения и иллюстрирует их применение к интерпретации явлений разрушения композитных материалов. Линейная механика разрушения основана на описании линейно-упругого поля напряжений в окрестности кончика трещины. Находятся формулы для напряжений в ближайшей окрестности кончика трещины в однородной изотропной упругой плите. Эти формулы непосредственно приводят к определению коэффициента интенсивности напряжений К, единственного параметра, определяющего поле напряжений в окрестности кончика трещины. Величина К, соответствующая распространению трещины и разрушению, есть мера вязкости разрушения материала, его сопротивления разрушению.

Применительно к волокнистым композитам записываются формулы для напряжений у копчика трещины в соответствующем линейно-упругом ортотроппом однородном материале и вводятся коэффициенты интенсивности напряжений. Обсуждается пластическое поведение материала в малой окрестности кончика трещины и его влияние на поле напряжений и величину коэффициента интенсивности напряжений K. Определяется сила продвижения трещины ξ, которая связывается с коэффициентом интенсивности напряжений.

Дается обзор работ, посвященных анализу разрушения двух композитных систем, упрочненных частицами, одна из них — кобальтовый сплав с частицами карбида вольфрама, вторая — стекло, упрочненное частицами вольфрама. Через весь обзор проходит анализ однонаправленного композита стекловолокно — эпоксидная смола; разрабатываются схемы эксперимента для проверки применимости к описанию разрушения таких композитов методов механики разрушения, при этом используется модель ортотропного однородного материала.

Обсуждаются общие особенности распространения трещины и, в частности, наблюдаемое в эксперименте соотношение между ξ и скоростью трещины a; оно иллюстрируется на примере эпоксидпо-алюминиевых соединений. Приводятся данные по влиянию влажности и длительно действующей нагрузки на поведение трещины в эпоксидном слое.

Глава завершается обсуждением тех областей механики разрушения, как аналитической, так и экспериментальной, которые требуют внимания в связи с задачей разработки более совершенных композитных материалов и конструкций.

Следующая глава представляет собой краткий обзор современных представлений относительно механики разрушения и лечебного восстановления кости, написанный Дж. Германом и Г. Либовицем [См. ч. II, гл. 4. — Прим. ред.]. Авторы не претендуют на исчерпывающее изложение предмета, хотя они постарались по крайней мере коснуться всех основных аспектов проблемы. Обзор написан главным образом для неспециалистов, т. е. для его чтения не обязательна подготовка в области медицины. Он включает обсуждение состава и строения костей, механических свойств и разрушения кости, механических аспектов залечивания разрушений, механических моделей материала кости, а также рекомендации относительно направлений дальнейших исследований.

В гл. 11 [Глава 7 данной книги. — Прим ред.] Дж. Гёрланд и H.М. Парих обсуждают вопрос о разрушении двухфазных сплавов, состоящих из мягкой и относительно пластичной матрицы, наполненной твердыми и сравнительно хрупкими частицами.

В сплавах с малым содержанием упрочняющих частиц последние работают как включения, которые изменяют однородность поля внутренних напряжений, вызывая концентрацию напряжений и появление остаточных напряжений. Зарождение трещин происходит на частицах, однако, как правило, после начала общей пластической деформации — это показано в деталях путем количественного исследования разрушения частиц кремния в алюминиево-кремниевых сплавах. Наличие хрупких включений снижает пластичность металлов, которая зависит главным образом от объемного содержания частиц. Рассматривается возможность теоретического определения связи между удлинением при разрушении и объемной концентрацией жестких частиц.

Разрушение сплавов с большой концентрацией твердой фазы обсуждается на примере двух керметов, один из них — так называемый тяжелый металл (W — Ni — Fe), второй — спеченный карбид (WС — Со). Исследования разрушения обоих материалов показывают, что с ростом содержания твердых частиц место зарождения трещины перемещается из матрицы в частицу или на границу раздела фаз и путь распространения трещины сначала лежит целиком в матрице, затем трещина начинает перерезать и частицы. Разрушающее напряжение сначала увеличивается с ростом концентрации частиц, но затем смена характера разрушения с пластичного на хрупкий ведет к падению прочности.

В заключительной главе, написанной У.Ф. Уиксом и А. Ассуром [Глава 8 данной книги. — Прим ред.], анализируется разрушение озерного и морского льда. Возросшая активность человека в холодных районах земного шара привела к настоятельной необходимости этих работ, поскольку соответствующая информация нужна для решения целого ряда геофизических и технических проблем. Авторы начинают обзор положения дел с обсуждения кристаллической структуры обыкновенного льда, переходя затем к описанию макро- и микроструктуры морского и озерного льда, а также соответствующих вопросов химии и фазовых соотношений. Далее суммируются результаты последних работ по прямому наблюдению дислокаций и образования трещин во льду, а также по разработке формальной трехкомпонентной модели лед — соляной раствор — воздух, привлекаемой для объяснения колебаний прочности льда. Обсуждаются и сравниваются результаты различного типа испытаний (сжатие, вдавливание индентора, растяжение обычных и кольцевых образцов, изгиб малых балочек, изгиб балок in situ, сдвиг, удар). Затем рассматривается масштабный эффект, а также быстрое падение прочности ледяного покрова весной.

Редактор еще раз выражает признательность авторам, показавшим пример кооперации и не жалевшим времени и сил для работы над трактатом о разрушении. Они обеспечили успех этому изданию. Редактор благодарен также Управлению военно-морских исследований, Лаборатории материалов ВВС, Университету Джорджа Вашингтона, Католическому университету Америки и компании «Рэйнолдс металс» за помощь в этой работе. Профессору А.М. Фройденталю (Университет Джорджа Вашингтона) принадлежат многие плодотворные идеи, способствовавшие редактированию настоящего издания.