Рассмотрим конструкцию, в которой развивается трещина. При действии циклических нагрузок или при совместном воздействии нагрузок и окружающей среды с течением времени эта трещина будет расти. Чем длиннее трещина, тем большую концентрацию напряжений она вызывает. Это означает, что скорость развития трещины с течением времени будет увеличиваться. Развитие трещины как функцию времени можно представить возрастающей кривой, как показано на рис. 1.1,а. Из-за наличия трещины прочность конструкции уменьшается; она меньше, чем исходная прочность, на которую была рассчитана. Прочность конструкции уменьшается с ростом размера трещины, как показано схематически на рис. 1.1,б. Через некоторое время прочность настолько уменьшится, что конструкция уже не будет способна выдержать случайные высокие нагрузки, которые могут возникнуть при эксплуатации. С этого момента конструкция легко разрушается. Если такие случайные высокие нагрузки не возникают, то трещина продолжает расти до тех пор, пока прочность не становится столь низкой, что разрушение происходит при нормальных эксплуатационных нагрузках. Многие конструкции рассчитывают на такие эксплуатационные нагрузки, которые достаточно велики, чтобы породить трещины, особенно когда имеются раковины или концентраторы напряжений. Проектировщик должен предвидеть возможность растрескивания и, следовательно, допускать возможность разрушения конструкции. Это означает, что конструкция может иметь лишь ограниченную долговечность. Конечно, вероятность разрушения должна быть достаточно низкой в течение всего времени эксплуатации. Для обеспечения надежности конструкции необходимо предсказать, как быстро будут расти трещины и как быстро будет уменьшаться остаточная прочность. Осуществление таких предсказаний и развитие методов их получения являются предметом механики разрушения.
Рис. 1.1. Инженерная задача: а — кривая роста трещины; б — кривая остаточной прочности
По отношению к рис. 1.1 механика разрушения должна ответить на следующие вопросы:
Какова зависимость прочности от размера трещины?
Какой размер трещины может быть допустим при ожидаемых эксплуатационных нагрузках, т. е. каков критический размер трещины?
Как долго будет продолжаться рост трещины от определенного начального размера до критического размера?
Какой размер раковин допустим в начальный момент эксплуатации конструкции?
Как часто следует проверять наличие трещин в конструкции?
Механика разрушения дает удовлетворительные ответы на некоторые из этих вопросов и полезные ответы на другие. Как показано на рис. 1.2, для развития методов проектирования с привлечением концепций механики разрушения необходимо использовать различные отрасли знания. На правом конце шкалы находится инженерный анализ нагрузок и напряжений. Прикладная механика определяет поля напряжений при вершине трещины, а также упругие и (до некоторой степени) пластические деформации материала в окрестности трещины.
Рис. 1.2. Отрасли знания, охватываемые механикой разрушения
Предсказанную прочность можно проверить экспериментально. Структурная механика занимается вопросами разрушения на уровне размеров атомов и дислокаций вплоть до размеров примесей и зерен. Понимание этих процессов дало бы возможность получить критерии, определяющие рост трещин и разрушение. Эти критерии предназначены для предсказания поведения трещины в заданном поле напряжений — деформаций. Понимание процессов разрушения дает также возможность выявить параметры материала, определяющие его трещиностойкость; эти параметры необходимо знать, если нужно получить материалы с повышенной трещиностойкостью.