Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Строение длинных трубчатых костей и морфология их повреждений при травме тупыми предметами .
1.1. Строение длинных трубчатых костей 7
1.2. Физические и прочностные свойства костной ткани 12
1.3. Разрушение кости при механической травме 14
1.4. Фрактография переломов костей 21
Глава 2. Материалы и методы исследования.
2.1. Характеристика экспериментального материала 31
2.2. Статистическая оценка результатов исследований 35
Глава 3. Формирование разрушения компактного слоя длинной трубчатой кости в процессе пластической деформации
Глава 4. Морфология излома длинной трубчатой кости при ударном воздействии
Глава 5. Морфология излома длинной трубчатой кости при давлении 70
Глава 6. Особенности формирования структуры излома в сложном напряженном состоянии кости
Заключение 91
Выводы 98
Практические рекомендации 100
Указатель литературы
- Физические и прочностные свойства костной ткани
- Фрактография переломов костей
- Статистическая оценка результатов исследований
- Морфология излома длинной трубчатой кости при ударном воздействии
Введение к работе
Переломы костей конечностей занимают значительное место среди повреждений, причиняемых тупыми орудиями, и составляют от 48% до 70% от всех повреждений костей скелета [91]. В связи с этим, необходимость исследо-ваний таких переломов в целях установления механизмов травмы является важной задачей судебно-медицинской экспертизы, что необходимо правоохранительным органам для восстановления обстоятельств происшествия.
В литературе имеется большое количество информации о возможности воспроизведения условий разрушения отдельных костей или их комплексов - от однократного или множественных воздействий тупыми предметами [51,73,83].
Однако до настоящего времени в судебно-медицинской практике отсутствуют объективные показатели в установлении одного из важных составляющих механизмов образования перелома - вида внешнего воздействия по морфологии разрушений длинных трубчатых костей, в частности, по характеристике поверхности перелома - излому. Имеющиеся на этот счет немногочисленные работы больше касаются вопросов установления направлений травматизации по характеру изменения магистральной трещины и краевых отделов разрушений [7,21,65]. Не полностью приведена в соответствие терминология признаков разрушения на поверхности перелома на этапах от его зарождения до завершения. Диагностическая значимость ряда признаков разрушений не всегда находит подтверждение при оценке условий травматизации в случаях фрагментации кости.
Следовательно, проблема изучения особенностей разрушения компактного слоя длинных трубчатых костей по характеристике излома при различных видах внешнего воздействия твердыми тупыми предметами остается актуальной.
Цель исследования - разработка экспертно-диагностических критериев установления вида внешнего воздействия на основе анализа морфологии
излома длинных трубчатых костей. Задачи исследования
Изучить морфологические признаки излома длинных трубчатых костей нижней конечности при ударной нагрузке и давлении.
Выявить диагностические критерии судебно-медицинского установления направлений травматизации и видов внешнего воздействия по морфологической характеристике излома.
Изучить соотношения изменений векторов направлений травматизации и разрушения кости для определения возможных ротационных смещений конечности при внешнем воздействии.
Разработать программное обеспечение установления механизмов переломов длинных трубчатых костей нижних конечностей на основе анализа морфологии излома для судебно-медицинской практики.
Научная новизна
Разработаны экспертно-диагностические критерии установления видов внешнего воздействия по характеристике излома длинных трубчатых костей нижних конечностей.
Получены новые данные для установления возможных ротационных смещений конечности по излому.
Разработана автоматизированная система для определения вида внешнего воздействия по морфологии излома, основанная на технологии интеллектуального анализа данных (data mining), в частности метода «дерева решений».
Практическая значимость
Практическая ценность исследования заключается в установлении специфичных морфологических признаков повреждений длинной трубчатой кости для установления видов и направлений внешнего воздействия с авто-
матизированным учетом и оценкой механизмов переломов.
Внедрение результатов исследования в практику
Научно-теоретические положения диссертационной работы внедрены в практику работы отдела экспертизы трупов и медико-криминалистических отделений Воронежского и Липецкого областных бюро судебно-медицинской экспертизы, а также в учебный процесс кафедры судебной медицины и правоведения Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию» (ГОУ ВПО ВГМА им. Н.Н. Бурденко Росздрава).
Основные положения, выносимые на защиту
Судебно-медицинское установление вида внешнего воздействия на длинную трубчатую кость нижней конечности характеризуется скоростью нагружения объекта, что проявляется в закономерной морфологической картине излома.
Ротационные смещения кости происходят при давлении на конечность, в результате чего на изломе формируются морфологические признаки, указывающие направление кручения.
Разработанные судебно-медицинские критерии установления вида внешнего воздействия по характеристике излома отражают условия травматизации кости в совокупности выявленных признаков разрушения при поддержке программного обеспечения ввода и обработки информации на основе технологии интеллектуального анализа данных, в частности метода «дерева решений».
Личное участие автора
Автором лично были изучены 197 экспериментальных переломов
длинных трубчатых костей нижних конечностей и 25 экспертных наблюдений с применением методов остеоскопии, стереомикроскопии, сканирующей электронной микроскопии. Приготовлены препараты из поврежденных костей для макро- и микроскопических исследований. Сфотографированы и обработаны изображения в графических редакторах. Проведена статистическая обработка материала.
Апробация работы
Результаты исследования представлены на 86 международном конгрессе судебных медиков (г. Майнц, 2007 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы медико-криминалистических, судебно-химических и химико-токсикологических экспертных исследований» (г. Москва, 2007 г.), на семинаре усовершенствования судебно-медицинских экспертов Липецкой (2006 г.) и Воронежской (2007 г.) областей.
Публикации результатов исследования
Основные положения работы отражены в 4 публикациях, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и 1 статья в международной печати.
Структура и объем диссертации
Диссертация представлена в виде машинописного текста, согласно установленным требованиям в общем объеме 117 страниц. Работа состоит из введения, материалов и методов исследования, 4-х глав собственных исследований, выводов и библиографии, включающей 157 литературных источников, в том числе - 50 публикаций зарубежных авторов.
Физические и прочностные свойства костной ткани
Еще в конце прошлого века В. Ру (1893) сформулировал свой знаменитый закон для костной ткани «минима-максима», вложив в это определение понятие того, что структура кости при минимальной затрате материала обеспечивает максимальную устойчивость.
В процессе филогенеза кость формировалась под воздействием самых разнообразных механических сил. От обычных «мертвых» строительных материалов она отличается, прежде всего, способностью реагировать на величины нагрузок и при необходимости атрофироваться или гипертрофироваться, а также менять свою форму [60].
На устойчивость кости внешним воздействиям большое влияние оказывают амортизационные свойства мягких тканей. Также не последняя роль отводится и такой эластической оболочке как надкостница, которая в значительной степени влияет на физические свойства кости (прежде всего, хрупкость). В соответствии с известным эффектом Ребиндера - если стержень покрывается какой-либо оболочкой, он резко изменяет свои свойства.
Кость обладает уникальным свойством хрупкого материала, обнаруживая различное отношение прочности на растяжение и прочности на сжатие.
Прочность на сжатие костной ткани больше, чем на растяжение, на 50-60%, что характеризует ее как композитный материал [46]. Эта особенность костной ткани в сопоставлении с данными по исследованию топографии силовых напряжений дает основание утверждать, что физиологической нагрузкой на кость является сжатие.
При внешнем нагружении в любой конструкции развиваются внутренние напряжения: сжимающие, растягивающие, касательные. В соответствии с направлением внешнего воздействия и формой (конструкцией) кости названные напряжения занимают соответствующие зоны. При изменении направления нагружения меняется и топография силовых напряжений. Таким образом, топография силовых напряжений зависит от формы конструкции и направления внешнего воздействия, а применительно к скелету - от индивидуальной формы кости и нагрузок, воздействующих на нее [88].
Не последнее место в формировании костей занимает пьезоэлектрический эффект, регистрируемый в костной ткани при различных видах нагружения [17,101]. Установлено, что при изгибе на выпуклой стороне кости возникает положительный потенциал, а на вогнутой - отрицательный. В зоне, заряженной положительно, формируется процесс резорбции кости, в зоне отрицательно -оссификации [127,128,144].
Постоянство формы и структуры кости как анатомической единицы обеспечивается за счет непрерывного их восстановления под влиянием внешних воздействий [11,41,59,68].
При исследовании динамических свойств кости было установлено, что-существует критическая скорость деформирования, при которой материал кости изменяет эти качества. При малых скоростях деформирования кость разрушается путем сдвига. При возрастании скоростей деформации разрушения происходит путем расслаивания с образованием осколков. Полагают, что при низких скоростях деформации тип разрушения определяется слоистой микроструктурой и ее разделение по плоскостям [37,42,69,78].
Разрушение при высоких скоростях происходит по поверхностям, цементирующим отдельные гаверсовы системы [109,113].
Механические нагружения кости в определенных пределах будут способствовать интенсификации обмена в костной ткани и увеличению ее механической прочности. Снижение механических нагрузок до минимума повлияет на минеральный обмен и устойчивость кости по отношению к внешним воздействиям. Длительное же, но прерывисто действующее нагружение, не превышающее по своему значению критических величин прочности ткани в условиях сдвига обменных процессов в ней, способно вызывать явления разрушения кости - переломы.
Сущность судебно-медицинской травматологии составляет учение о повреждениях и смерти от различных видов внешнего воздействия на организм человека. Среди структуры всей смертности механическая травма занимает третье место (после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний), а в возрасте от 14 до 15 лет - первое [66].
Еще в начале развития медицины попытки установления механизма травмы по характеру перелома предпринимались рядом авторов [18,19,31,58]. Основным методом для определения условий травмы являлась локализация и геометрия трещин, и носило в основном описательный характер.
Однако только с середины XX века со значительным ростом науки в судебно-медицинской травматологии стали широко применять методы технической механики. На данном этапе более глубоко и всесторонне применялись морфологические методы [49,65,82].
По диафизам длинных трубчатых костей [43,44,50,46,83], метаэпифизам длинных трубчатых костей [100,104] были выявлены особенности локализации переломов костей и костных комплексов в-зависимости от их конфигурации и видов внешнего воздействия.
Но только в конце нашего столетия был принят комплексный подход в изучении морфо- и механогенеза переломов. Суть заключается в том, что для решения практических задач используется комплекс самых различных наук: с одной стороны это медицина, а с другой техническая механика и биомеханика.
По определению Гориневской В.В. [24] - переломы это полное или частичное нарушение целостности кости. Она подразделяет переломы на полные и неполные. Неполный перелом определяет как надлом. Как клиницисты, так и судебные медики переломы разделяют на прямые и непрямые в зависимости от места приложения силы. Если прямые переломы возникают на месте непосредственного воздействия травмирующей силы, то непрямые - образуются на отдалении от мест приложения силы и обусловлены особенностями анатомической конструкции кости.
Выделяют три основных вида разрушения трабекул. Первый характеризуется образованием трещин между пластинами при медленном статическом нагружении от изгиба, причем трещина не пересекает пластинку. Подобный характер установлен и для компактной костной ткани [142]. Второй вид разрушения, возникающий от сдвиговых напряжений, характеризуется трещинами, пересекающими пластинки и появляющимися при больших импульсивных нагрузках. При разрушениях первых двух видов происходит перемещение ткани. В случае разрушений третьего вида перемещение ткани по обеим сторонам не наблюдается, и их принято называть трещинами усталостного разрушения-[153]. Усталостное разрушение наблюдается только в отдельной трабекуле, в которой концентрация напряжения достигла критического значения.
Крюков В.Н. [49] предлагает различать переломы локальные, локально-конструкционные и конструкционные. Вид и характер разрушения при идентичных условиях внешнего воздействия на физические тела, имеющих одинаковую форму, но изготовленных из разных материалов будут однотипными. Иными словами - при медленном нагружении способ и свойства разрушения зависят в первую очередь от особенностей конструкции. Такие разрушения можно обозначить как конструкционные.
Фрактография переломов костей
Zapffe С.А. [156,157] провел ряд работ по изучению поверхности разрушения металлических образцов и обобщил их в статье под названием «Фрактография - новый инструмент для металлургических исследований». Материалы этой работы были доложены на 26-ом американском ежегодном съезде общества металлургов в 1944 году. Этот год считается годом узакононения и признания термина «фрактография».
Под этим термином стали понимать совокупность методик, исследующих свойства материалов посредством изучения особенностей поверхности разрушения.
На настоящий момент фрактография сформировалась как самостоятельная наука. В ней можно выделить несколько отдельных направлений: фрактография металлов [23,40,67], фрактография полимеров [3,35,77], фрактография композиционных материалов [97,108,138,151,152], фрактография керамики [149] и т.д.
В связи с тем, что костная ткань по своим структурным и механическим характеристикам больше всего соответствует композиционным материалам, весьма желательно ее фрактографический анализ основывать на принципах фрактографии композиционных материалов.
Знания технической механики и предшествующая обширная работа, проведенная по анализу морфологии переломов при различных условиях разрушения, подготовили базис для применения фрактографического анализа костной ткани и его выделения как важного прикладного метода судебной медицины [4,5,8,9,47,54,55,61,73,80,84,85,86,87,91].
В исследованиях Kimura Т. и соавт. [133,134,135] дается подробная характеристика хрупкого и вязкого разрушения костной ткани на микроскопическом уровне, рассматривается характер распространения магистральной трещины при разрушении длинной трубчатой кости от изгиба. Авторы предлагают использовать выявленные морфологические критерии разрушения в судебно-медицинской практике для установления условий травматического воздействия.
В совокупности с фундаментальными исследованиями механизмов травмы подтверждены целесообразность и необходимость применения в судебной медицине метода фрактографии - изучение физических свойств и структуры изломов костей [60].
При достижении наивысших значений деформации определяют характер разрушения кости - образование ее перелома. Поверхность перелома с позиций сопромата следует рассматривать как излом.
Изломы представляют собой непосредственный результат нарушения сплошности образца. В зоне, прилежащей к поверхности кости, где обычно развиваются максимальные поверхностные растягивающиеся напряжения, нередко различается точечная гладкая площадка - очаг первоначального разрушения кости («фокус»). Поверхности изломов могут быть нормальными, наклонными - в виде среза и продольными [126]. Иванова B.C. [30] описала поверхности изломов как гладкие, шероховатые и фасетированные. Фридман ЯЗ. [93] на поверхности излома выделил узоры типа «древовидный», появление «ступенек», которые объяснят соединением двух соседних трещин. Неоднородность строения изломов Гордеева Т.А. и др. [23,62] связывают с тем, что процесс разрушения носит дискретный или «скачкообразный» характер, который подтверждается волнообразным характером изменения шероховатостей. На изломе можно выделить последовательно сменяющие друг друга зоны: разрыва, сдвига и долома [52,63,103]. В зоне разрыва края перелома относительно ровные, в большинстве слу 23 чаев хорошо сопоставимые. Поверхность на этом участке зернистая и составляет со свободной поверхности кости угол 90 градусов, что придает краю перелома отвесность. Зона сдвига начинается в месте перехода растягивающих напряжений в касательные. Перелом отклоняется от первоначального направления и приобретает извилистую траекторию вплоть до зубчатого или ступенчатого вида. Размер зубцов по мере распространения перелома увеличивается, а сами зубцы имеют некоторый наклон по ходу распространения разрушения.
Геометрическая ассиметрия зубцов создает так называемый «признак замка» [14]. При исследовании поверхности зубцов обнаруживаются, доказательства имевших место срезывающих деформаций в виде микроскопических беспорядочно расположенных очагов террасовидных костных пластинок [20]. Неодинаковое направление террас на поверхности зубцов обусловлено различным направлением сдвиговых деформаций, под влиянием которых и формируются зубцы.
В зоне сдвига соответственно краевой части компактного вещества можно видеть мелкие ступени, связанные «веерообразными трещинами» составляющими с магистральным разрушением и друг с другом острые углы, открытые навстречу нагружению [50]. Зона завершения развития перелома при разъединении разрушаемого тела обозначается как «долом». Зона до лома - это всегда вязкое разрушение и все его морфологические проявления выступают наиболее четко [49]. Края перелома в зоне долома могут иметь различные морфологические признаки разрушения от деформации сдвига: скол, выкрашивание и отщеп компактного вещества, отгибание его поверхностных слоев, мелкие продольные трещины, смятие компакты в виде «валикообразного вспучивания»» или «желобовидного углубления», истончение, а таюке их сочетание. Это придает краям перелома в данной области неровность и плохую сопоставимость. Излом здесь в начальной части представлен костными ступеньками и увеличивающи 24 мися по высоте гребнями [60]. Между рассматриваемыми зонами можно условно выделить промежуточную, или зону распространения магистральной трещины, где на поверхности визуально и микроскопически обнаруживаются такие морфологические проявления, как «ручейки» и «бороздки», ветвящийся вариант которых образует картину «еловой веточки» (известную в технике как «шевронный узор») [49]. Под разрушением подразумевается макроскопическое нарушение сплошности физического тела (материала) в результате механических или каких-либо воздействий. При рассмотрении понятия «разрушение», как процесса, существует два основных подхода. Первый. Разрушение моделируется как процесс продвижения магистральной макротрещины [57,70,72,98]. Второй. Разрушение рассматривается как процесс зарождения множественных дефектов (микро- и макротрещин) с последующим слиянием их между собой [29,39,76,77,136]. Относительно этих двух направлений и происходит основное разделение теорий разрушения. Зарождение трещины - это начало разрушения. Трещины зарождаются путем слияния малых разрывов, возникающих на клеточных пустотах костной ткани между различными слоями в районе кровеносных сосудов или на других некристаллических каналах. Трещины распространяются в зависимости от способа нагружения. При медленной нагрузке они растут между вставочными пластинками гаверсовых систем, при ударе - проходят через остеоны [86]. Трещина зарождается, как правило, в зоне наибольших растягивающих напряжений, затем сливаются между собой, образуя очаг нарушения сплошности кости, после чего взрывообразно возникает зона магистрального разъединения кости, обусловленная деформацией разрыва [64,102].
Статистическая оценка результатов исследований
В медицинской практике производят вычисления по критерию Фишера -для сопоставления двух выборок по частоте встречаемости интересующего исследователя эффекта, но в нашей работе мы производили исследования не количественных показателей, а качественных, поэтому остановились на методике, описанной ниже.
Из приведенного фрагмента данных видно, что один и тот же признак (напр. Ш, ПИ, П14 и т.д.) встречается довольно часто при различных видах нагружения. В данном случае следует определить достоверность различий для конкретного признака между различными видами воздействия. Анализ и сравнение качественных морфологических признаков повреждений производился статистическим методом, называемым «схемой Бернулли», основное содержание которой - подсчет частот некоторых событий. Пусть имеются две выборки результатов регистрации исследуемого события с объемами соответственно N{ и N2, где из выборок регистрируемый параметр в nj и п2 случаях соответственно.
Если вычисленное с учетом (4) и (5) значение /-статистики (3) превышает для выбранного уровня значимости а граничное значение tKp, то с вероятностью Р = 1- «делается вывод, что вероятности достоверно различаются. Для анализа экспериментальных данных были взяты три уровня значимости: Р = 0,99; Р = 0,95; Р = 0,9.
С целью автоматизации процесса статистической обработки данных была разработана экспериментальная программа, разработанная с помощью пакета проектирования и создания программных средств «Borland Delphi 7». Программа работает под операционной системой семейства «Windows». Для работы программы необходимо подготовить входной файл с данными в формате MS Excel, где должны быть закодированы все необходимые параметры: наименования костей, виды воздействий (классы повреждений), морфологические признаки повреждения костей. После подачи входного файла программе, следует в диалоговом режиме отметить исследуемые признаки и виды воздействий, а затем активировать процедуру расчета. Результатом работы программы служат два выходных файла в формате MS Excel, где показаны расчетные частоты встречаемости признаков для каждого вида нагружения и значения t-статистики (3), представленные в табличном виде. Ниже приведен фрагмент данных (табл.2), показывающий результаты проведения t-теста.
В ходе исследования из общего количества признаков, которые мы использовали для определения вида внешнего воздействия, статистически значимыми оказались 12 признаков для давления и 10 для удара.
На следующей стадии статистической обработки после выявления основного перечня рабочих признаков следует проанализировать весь набор объектов исследования с целью получения декларативных и процедуральных знаний, которые могут быть использованы при принятии решений о характере повреждений. Для того чтобы провести автоматический анализ данных, используются методы Data Mining (разработка данных). Data Mining- это процесс обнаружения в «сырых» данных ранее неизвестных нетривиальных практически полезных и доступных интерпретации знаний, необходимых для принятия решений.
В данном случае целесообразно рассмотреть один из характерных методов формирования знаний - метод деревьев решений. Деревья решений - это способ представления продукционных правил «если ..., то ...» в иерархической, последовательной структуре, где каждому объекту соответствует единственный узел, дающий решение. Метод деревьев решений обеспечивает автоматическое построение продукционных правил по имеющейся статистике. Рассмотрим этот метод на примере решения задачи классификации. Пусть имеется совокупность к объектов, представленных множеством Т = {tx,...,tk}, где каждый элемент этого множества описывается одним и тем же набором признаков (атрибутов) с именами С,, і = 1, ..., m. Каждый атрибут может принимать п. значений - xtj, j= 1,...,щ, измеряемых в произвольной шкале.
Если имена атрибутов (признаков) каким-либо образом упорядочены, то классифицирующее правило (2.1) можно представить в виде графа иерархий или дерева, вершина (корень) которого суть проверка значения первого атрибута представленного объекта на соответствие классу, ветви - промежуточные проверки, а листья - классы объектов. Такое дерево может иметь вид, показанный на рисунке 2:
Построение такого дерева не представляет никаких проблем, когда каждой совокупности (или группе совокупностей) значений атрибутов объекта в однозначной соответствие можно поставить вполне определенный класс объектов. Однако в практических задачах такое соответствие чаще носит вероятностный характер. Другими словами, каждой упорядоченной последовательности значений атрибутов объекта лишь с некоторой вероятностью соответствует один из выделенных классов объектов. В этом случае классификация производится в условиях вероятностной неопределенности.
Легко подсчитать, что в 7 случаях (подмножество 7Л(С1)) со значением атрибута Хп 5 объектов (t\, h, t6i t8 и ]0) были отнесены к классу К\ и 2 объекта (ґ4и t7) к классу Кг, в 3 случаях (подмножество Тг{С\)) при значении хп 2 объекта отнесены к классу К2 и 1 к классу К\.
В случае нескольких атрибутов необходимо выбрать порядок последовательности анализа их значений. Упорядочивание атрибутов целесообразно проводить по принципу максимального снятия неопределенности. Как известно, мерой неопределенности является информационная энтропия.
Следовательно, при использовании нескольких атрибутов необходимо выбирать в качестве первого атрибута для анализа тот, который обеспечивает максимальное снижение неопределенности классификации по отношению к исходному множеству.
Рассмотрим общее описание алгоритма построения дерева решений. Пусть задано множество объектов Т, где каждый элемент множества описывается m атрибутами С\, ..., Ст. Задача заключается в построении иерархической классификационной модели в виде дерева, вершинами которого являются продукционные правила, а дугами - соответствующие переходы. Процесс построения дерева происходит сверху вниз. Сначала создается корень дерева, затем потомки корня и т.д. На первом шаге имеется пустое дерево (имеется только корень) и исходное множество Т (ассоциированное с корнем). Требуется разбить исходное множество на подмножества. Это можно сделать, выбрав один из атрибутов в качестве проверки. Тогда в результате разбиения получается п (по числу значений атрибута) подмножеств 7\, ..., Т„ и, соответственно, создаются п потомков корня, каждому из которых поставлено в соответствие свое подмножество, полученное при разбиении множества Т.
В качестве инструментального средства анализа данных использовался программный пакет Deductor Studio 4.1 компании BaseGroup. Deductor Studio предназначен для решения широкого спектра задач, связанных с обработкой структурированных, представленных в виде таблиц, данных. При этом прикладная область значения не имеет.
Морфология излома длинной трубчатой кости при ударном воздействии
Наиболее часто повреждения длинных трубчатых костей происходят при ударном воздействии на тело человека [75]. Переломы костей конечностей могут возникать в результате различных факторов: падение с высоты, автомобильная травма и др. Удар - это вид внешнего воздействия (динамического нагружения), сопровождающийся совокупностью физических явлений в месте контакта (столкновения) тел, приводящих к формированию механических повреждений преимущественно по локальному типу [16]. Разрушение, рассмотренное в данной главе, идет типу изгиба. Как известно, характер разрушения компактной костной ткани зависит от скорости деформирования. При высоких скоростях нагружения этот процесс имеет вид хрупкого разрушения [49].
Хрупкое разрушение отличается высокой скоростью процесса; слабой сопротивляемостью распространению трещины, незначительной общей и местной пластической деформацией. Хрупкое разрушение происходит несколько этапов: зарождение трещины, рост трещины, самопроизвольное стремительное распространение трещины через материал конструкции.
По ходу формирования трещины выделены специфичные виды деформаций (типы разрушений), преобладающие или конкурирующие друг с другом соответственно конкретной зоне разрушения: I тип разрушения - отрыв свойственен зоне зарождения разрушения (зонафазрыва); IP— поперечный;сдвиг и III - продольный сдвиг, имеют преимущественное влияние в зоне развития (распространения) разрушения и зоне долома;
По данным Нагорного М:Н. [65] каждому типу разрушения, соответствуют характерные фрактографические признаки излома в виде различных форм рубцов, ступеней, изменений плоскости, гребней, боковых скосов и др. Автор приходит к выводу о том, что при различных степенях увеличения решает не одинаковые задачи: при больших увеличениях возможен анализ структуры костного вещества как твердого композитного тела и хрупкого композитного материала; при малых увеличениях (до 40 крат) диагностируются типы разрушений, позволяющие судить об особенностях механизмов перелома кости.
В нашем случае мы решали вопросы о механизме травмы и поэтому рассматривали фрактографические признаки поверхности разрушения при малом увеличении.
В ходе исследования нами было выделено 72 морфологических признака на изломе, которые были проанализированы различными методами и просчитаны математически. После чего из всего количества признаков были выделены, наиболее четко отражающие ударное воздействие, т.е. имеют высокую частоту встречаемости и наиболее доступны для исследования при малых увеличениях. Так, характерными для удара оказались 10 признаков.
При изгибе длинной трубчатой кости зона начала разрушения диафиза располагается на выпуклой стороне дуги, где сосредотачиваются наибольшие значения растягивающих напряжений, при этом она отражает полностью деформацию I типа - разрыв. При этом кость начинает разрушаться в каком-то определенном месте, где растягивающие силовые напряжения достигли максимума и кость не в состоянии сопротивляться внешним усилиям. Возникает очаг разрыва костного вещества. Зубцы и впадины на поверхности излома на относительно коротком промежутке быстро увеличиваются в размерах. При внешнем воздействии на кость в зоне разрыва происходит увеличение локальных напряжений в областях потенциального зарождения трещин, увеличивается число активных зародышей трещин или очагов разрушения, соединяющихся в крупный «ямочный вырыв» с четкой границей разделения разрыва и сдвига (рис.16). Рис.16. Граница «вырыва» при переходе разрыва в сдвиг (выделена контуром). Направление магистрального разрушения указано стрелкой на белом фоне. Увеличение х5,4.
Высокая скорость нагружения приводит к увеличению локальных напряжений в областях потенциального зарождения трещин, увеличивается число активных зародышей трещин или очагов разрушения. Поэтому при высокой перегрузке будет наблюдаться многоочаговое разрушение. При этом трещины, растущие из этих очагов, со временем объединяются в виде единого фронта. До момента этого объединения они будут представлены в виде борозд, параллельных друг другу на поверхности разрыва (рис.17).
Параллельность борозд между собой в зоне разрыва (указаны стрелками). Направление магистрального разрушения указано стрелкой на белом фоне. Увеличение х6,4.
Разрушение под действием растягивающих усилий при ударе происходит при относительно равномерном распределении напряжений не только по их на 61 правлению, но и по величине. Но, так как скорость распространения трещины имеет высокую энергию, то явления отрыва резко переходят в сдвиговые деформации. При этом на границе перехода разрыва в сдвиг появляются резко выраженные пасынковые трещины, возникшие вследствие отклонения незавершенного разрушения от основной траектории в результате сложного взаимодействия отрывных и сдвиговых напряжений, волновых процессов и энергетических критериев (рис.18). Трещина может образовывать только с одной стороны от зоны разрыва, что связано с неравномерной скоростью прохождения магистрального разрушения по периметру с опережением с одной стороны.
При исследовании излома в зоне сдвига отчетливо наблюдалась разная протяженность участков с преобладанием сглаженной текстуры над крупнобугристой, так как происходит присоединение сдвиговых деформаций на первом этапе, который имеет меньшую протяженность, чем второй, после чего резкое нарастание скорости разрушения приводит к формированию сглаженного участка (рис.19). Рис.19. Разная протяженность участков сдвига (преобладание сглаженного (2) над крупно-бугристым (1). Направление магистрального разрушения указано стрелкой на белом фоне.
В ходе изучения поверхности перелома при ударе нами были выявлены рубцы, которые имели параллельное или под углом 45 градусов направление по ходу развития трещины. Для образования, которых необходима совокупность условий:
1. Распространение трещины в конструкции или на ограниченном участке материала, имеющих в сечении полосовидную форму и определенную толщину (ширину)
2. Относительно высокая и стабильна скорость распространения трещины на данном участке
3. Фронт движущейся трещины должен иметь дугообразную форму, т.е. разрушение распространяется сначала в центральной части и несколько отстает по краям.
При данных условиях выступающая часть движущегося фронта трещины, идущая по центральной линии полосовидного участка, является постоянным «источником» рубцов, располагающихся последовательно один за другим на поверхности разрушения. При этом из центра через определенное расстояние исходит два рубца, образующих друг с другом острый, постепенно развертывающийся угол. Они, стремясь расположиться перпендикулярно движущемуся фронту, несколько изгибаются и косо идут к берегам трещины, образуя в целом характерный рисунок. В этом случае образуется симметричный «шевронный узор».
