Диаграммы напряжений

Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции. Но для расчета напряженно-деформированного состояния на действующей конструкции необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации либо текущей диаграммы нагружения. Знание исходных на момент изготовления конструкции механических свойств металла недостаточно, так как они в процессе эксплуатации существенно изменяются. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому в настоящее время расчет напряженно-деформированного состояния для оценки долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность.

Но для расчета напряженно-деформированного состояния на действующей конструкции необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации либо текущей диаграммы нагружения. Знание исходных на момент изготовления конструкции механических свойств металла недостаточно, так как они в процессе эксплуатации существенно изменяются. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому в настоящее время расчет напряженно-деформированного состояния для оценки долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность.

Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции. Но для расчета напряженно-деформированного состояния на действующей конструкции необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации либо текущей диаграммы нагружения. Знание исходных на момент изготовления конструкции механических свойств металла недостаточно, так как они в процессе эксплуатации существенно изменяются. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому в настоящее время расчет напряженно-деформированного состояния для оценки долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность.

Но для расчета напряженно-деформированного состояния на действующей конструкции необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации либо текущей диаграммы нагружения. Знание исходных на момент изготовления конструкции механических свойств металла недостаточно, так как они в процессе эксплуатации существенно изменяются. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому в настоящее время расчет напряженно-деформированного состояния для оценки долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность.

1.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ. ДИАГРАММЫ НАГРУЖЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ

Диаграммы нагружения. Как отмечалось выше, механические испытания позволяют с помощью регистрируемых диаграмм нагружения определять взаимосвязь между характеристиками прочности и пластичности металла. Диаграммы не только содержат данные для расчета комплекса основных механических характеристик металла (например, Е, (Ту, (То,2, е и др.), но и отражают сложный процесс изменения его структурного состояния и свойств, т. е. позволяют изучать механизмы пластической деформации, деформационного упрочнения, разрушения и Др. [1, 47].

С другой стороны, образец обладает собственной жесткостью, равной Р/Д/уо, которая суммируется (см. рис. 1.15) с жесткостью машины; соотношение этих величин имеет важное значение при регистрации диаграммы нагружения.

На участке непрерывного нагружения замкнутой системы машина — образец влияние жесткости машины существенно не сказывается на механических свойствах образца. В случае же разгрузки, возникающей, например, после зуба текучести или при образовании шейки на образце, упруго растянутые элементы машины сжимаются, что приводит к дополнительному, поскольку машина продолжает тянуть, увеличению действующего на образец усилия, следовательно, к завышенным значениям напряжения. Такие искажения диаграммы нагружения могут иметь и принципиальное значение. Например, при недостаточной жесткости машины на диаграмме в области предела текучести зуб и площадка текучести часто вообще не выявляются. Аналогично при разгрузке, связанной с локализацией деформации в шейке, недостаточно жесткая машина будет разрушать образец при нагрузках, значительно превышающих те, которые определяются структурной подготовкой материала к разрушению и условиями его испытания. Повышая жесткость машины [ 1,45,49], можно постепенно приближаться к наиболее физически обоснованным значениям напряжения и деформации разрушения.

Диаграммы нагружения некоторых поликристаллических металлов. Типичную кривую напряжение — деформация ГЦК-поликри-сталлов обычно описывают как параболу [5, 262]:

Рассмотрим, как протекает дефор- ' мация в шейке. Данные рис. 4.2 показывают, что в отличие от равномерной 0,1 деформации, где действует принцип постоянства деформируемого объема, ^ деформация в шейке характеризуется непрерывным уменьшением этого объема. Одновременно с уменьшением рабочего объема увеличивается скорость деформации, нарастает также кривизна поверхности в шейке образца и создается в результате сложное напряженное состояние, приводящее к появлению гидростатической компоненты напряжения в схеме нагружения [7, 50, 51]. Эти дополнительные факторы могут в принципе даже исказить результаты расчета диаграммы нагружения, вернее, части, связанной с деформацией в шейке.

ответствии с этими измерениями в точке 17 диаграммы нагружения скорость деформации должна быть в 4 раза больше, чем исходная. Скорость деформации, по литературным данным [368, 369], незначительно влияет на предел текучести и нужны изменения ее на порядки, чтобы это влияние стало заметным. Однако и при таких изменениях эффект зависит еще от температуры и природы конкретного материала (тип решетки, энергия дефекта упаковки и т. д.). Результаты проведенного авторами исследования на молибдене влияния скорости деформации в интервале от 10"4 до 10~' с~~' (рис. 4.6) на пределы упругости, текучести и напряжение течения при е = 0,1 согласуются с данными указанных работ. Таким образом, можно сделать вывод, что изменение в шейке скорости деформации в пределах одного порядка может не учитываться даже при 20 °С, а при 400 °С все три порядка изменения скорости не дают эффекта. Отсюда следует, что скоростной фактор вряд ли может быть ответственным за отклонение вверх кривых упрочнения / и 3 (см. рис. 4.5).

§ 2.13. Диаграммы напряжений при сжатии................ 117

Рис. 2.20. Диаграммы напряжений при растяжении образца из пластичного материала: кривая I — диаграмма условных напряжении, кривая 2 — диаграмма истинных, напряжений.

Рис. 2.22. Диаграммы напряжений ряда металлов и сплавов: а) общий вид диаграмм; б) детали диаграмм в области малых деформаций; / — конструкционная кремниевая сталь, 2 — медь, 3 — монель, 4 — мягкая сталь, 5 — латунь, 6 — магний, 7 — алюминий высокой чистоты, отожженный [Templin R. L., Sturm R. G., Journ. Aero. Sci 7 (7), 189 —

Была рассмотрена диаграмма напряжений при растяжении пластичной стали, как достаточно характерная вообще для пластичных материалов. Вообще же у каждого из материалов в очертании диаграммы напряжений имеется некоторая специфика. На рис. 2.22 приведены диаграммы напряжений при растяжении ряда пластичных материалов.

2. Кроме диаграмм напряжений в системах осей а, е и а к строят диаграммы напряжений и в системе других осей 2): аи

§ 2.13. Диаграммы напряжений при сжатии

При испытании образца из мягкой пластичной стали характер диаграммы напряжений, примерно до возникновения текучести, такой же, как и при растяжении. При более высоких напряжениях диаграммы сжатия и растяжения оказываются различными (рис. 2.26). В процессе деформации образец укорачивается и испытывает увеличение поперечных размеров. Между опорными плитами пресса и торцами образца возникают силы трения, в связи с чем

Рас. 2.28. Диаграммы напряжений при сжатии медных цилиндров с различными отношениями d/ft [Bach С., Elasfizitat u. Festigkeit, 5. Verl., Berlin, 1905, s. 67].

Хрупкие материалы значительно лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению. 1( На рис. 2.30 показаны диаграммы напряжений при сжатии чугуна и цементного раствора.

•5- 430 000 кГ1смг. Модули упругости некоторых других материалов показаны в ряде таблиц главы IV. Модуль упругости можно рассматривать и как угловой коэффициент прямой в начальной части диаграммы напряжений или, иначе, как тангенс угла наклона этой прямой по отношению к оси е.

Величину da/de за пределом пропорциональности называют касательным модулем. При разных о>апц величина его различна (в пределах площадки текучести практически равна нулю), но повсюду значительно меньше модуля упругости. Средняя величина касательного модуля на всем протяжении диаграммы, от предела упругости и до разрушения образца, очень мала по сравнению с модулем упругости, и в ряде случаев ее можно считать равной нулю. Это предположение равносильно принятию диаграммы напряжений в виде, изображенном на рис. 2.39. Такая диаграмма называется диаграммой идеального упруго-пластичного материала или диаграммой Прандтля 1) — по имени ученого, предложившего ее. Иногда предполагают, что диаграмма Прандтля аппроксимирует не всю действительную диаграмму напряжений пластичного материала, а лишь два участка ее — линейно-упругий и площадку текучести.