Трещина – это нарушение сплошности в деформируемом твердом теле, биологической или геологической структуре, вызванное исходными дефектами строения, механическими, тепловыми, электромагнитными воздействиями, коррозионными и эрозионными процессами, радиационными повреждениями. Т. в несущих элементах объектов техносферы могут явиться источниками возникновения отказов, аварий и катастроф; в биологических структурах живых организмов Т. являются источниками возникновения заболеваний и деградации; в геологических структурах Т. способствуют опасным выбросам газов и жидкостей, возникновению сейсмических процессов.
Научной основой анализа опасности Т. в несущих элементах машин и конструкций является механика разрушения. В ней Т. рассматривается как экстремальный дефект, представляющий собой области с полностью нарушенными межатомными связями (берега Т.) и частично нарушенными межатомными связями (вершина Т.). Линия раздела берегов называется фронтом Т.
Поведение Т. в несущем элементе зависит от способности материала сопротивляться росту Т., значений и характера приложенных нагрузок, от влияния окружающей среды, а также от длины Т.
Скорость распространения Т. в материале может достигать 0,2–0,3 от скорости распространения звука в этой среде. Так, например, наибольшая скорость распространения хруп ких Т. в сталях составляет 800–1600 м/с, а в алмазах — до 8000 м/с. Распространение Т., которое есть разрушение межатомных связей вблизи Т., сопровождается характерным (однако разным для различных материалов) высокочастотным звуком — акустической эмиссией.
В зависимости от расположения фронта Т. относительно приложенной нагрузки различают три типа Т.:
Трещина отрыва (I модель)
Трещина сдвига (II модель)
Трещина среза (III модель)
Модели I–III позволяют анализировать все возможные схемы нагружения и разрушения. Определяющим количественным параметром опасности Т. и напряженно-деформированного состояния является коэффициент интенсивности напряжений (KI, KII, KIII) для соответствующих моделей:
где σ, t — номинальные нормальные или касательные напряжения в зоне Т.;
fк — безразмерная функция, зависящая от размеров тела Т., а также от способа нагружения.
В качестве критерия разрушения в рамках линейной механики разрушения используется условие:
(KI, KII, KIII) = (KIс, KIIс, KIIIс)
где (KIс, KIIс, KIIIс) – критическое значение коэффициента интенсивности напряжений, определяемое при испытаниях образцов с Т. по моделям I–III. Критические величины (KIс, KIIс, KIIIс) определяют трещиностойкость материалов и несущих элементов.
Для расчетов трещиностойкости при возникновении в зонах Т. повышенных пластических деформаций используются уравнения и критерии нелинейной механики разрушения — коэффициенты интенсивности деформаций, раскрытие Т. и удельная энергия роста Т. Для случаев циклического или длительного статического нагружения в анализ аварийных и катастрофических состояний вводится скорость развития Т. по числу циклов N (d½/dN) или по времени t (d½/dt). В общем случае скорость Т. зависит от K.
{d½/dN, d½/dt} = Fк {½с (KI, KII, KIII)}m,
где с, m — константы материала.
Приведенные выше выражения позволяют определять критические размеры Т., определяющие стадию их перехода в неустойчивое состояние или критические напряжения по условию трещиностойкости. В соответствии с уравнениями и критериями механики разрушения разрабатываются методы и средства дефектоскопии и дефектометрии для обоснования техногенной безопасности ответственных объектов и снижения рисков ЧС.
Источники: Прочность и безопасность. Фундаментальные и прикладные исследования. Махутов Н.А. –Новосибирск: Наука, 2008. 528 с.; Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. –М.: МГОФ «Знание», 1998–2014, тт. 1–45.