Динамическом нагружении

Эффект динамического упрочнения состоит в том, что чем больше скорость нагружения, тем меньше время протекания пластической деформации, а следовательно, выше напряжение, при котором происходит переход от упругой деформации к пластической. Экспериментальные исследования, проведенные Л. П. Орленко, показывают, что при увеличении скорости удара до 7,8 м/с динамический предел прочности стали интенсивно возрастает, при дальнейшем увеличении скорости (до 61 м/с) предел прочности изменяется незначительно. Свойства металлов при, статическом и динамическом нагружениях различны. При том" и другом нагружении в металлах появляется упругая, пластическая 'или упругопластиче-ская деформация. Механические свойства металлов при любых условиях нагружения характеризует условная кривая напряжение — деформация, которая зависит от давления, скорости деформации и температуры. Кривая а(е) динамического нагружения всегда расположена выше кривой статического нагружения (рис. 2). Предел упругости при однократном ударе не увеличивается, но значительно повышаются пределы текучести и

Механические свойства стали 20Х при статическом и динамическом нагружениях (данные А. А. Преснякова)

Механические свойства стали У7А при статическом и динамическом нагружениях (данные А. А. Преснякова)

Сравнение распределения напряжений при статическом и динамическом нагружениях показывает, что решением Кирша можно в первом приближении пользоваться для определения наибольших сжимающих напряжений. Наибольшая величина динамических напряжений оказалась примерно на 15% выше, чем вычисленная статическая величина, в момент прохождения фронта волны через отверстие (фиг. 12.28). В последующие моменты эти две величины очень хорошо согласуются между собой (фиг. 12.29 и 12.30).

Из предыдущих рассуждений следует, что любое изменение формы, профиля или свойств материала стержня, приводящее к уменьшению общей площади О ABC под диаграммой «сила — перемещение», неблагоприятно скажется на способности стержня, выдерживать ударные, или импульсные, нагрузки. Для дополнительной иллюстрации этого сравним поведение при статическом и динамическом нагружениях двух образцов, показанных на рис. 15.3. Отметим, что оба образца имеют одинаковую длину, одинаковую минимальную площадь поперечного сечения и изготовлены из одного материала. Эффектами концентрации напряжений будем пренебрегать.

Исследование сопротивления плакированных материалов разрушению при статическом, циклическом, динамическом нагружениях и на стадии остановки трещины проводили на плоских образцах с боковыми, центральными, поверхностными и эксцентричными трещинами (рис. 5.6-5.12). При выборе размеров образцов были приняты во внимание рекомендации методических указаний [13, 14].

Для решения поставленных задач был разработан комплекс методик исследования закономерностей развития усталостных трещин в конструкционных сплавах в широком диапазоне низких и высоких температур (77—773 К), значений коэффициентов асимметрии цикла (—оо <;/?
Известно, что скорость развития трещины при хрупком характере разрушения зависит от уровня нагружения. Исследования скорости развития трещин при скачках, проведенные на образцах из стали 15Х2НМФА (II) при Т = 183 К при уровнях К.\, соответствующих диапазону критических значений коэффициентов интенсивности напряжений при циклическом и динамическом нагружениях, показали* что скорость развития трещин в исследованной стали при скачках находится в диапазоне 21—38 м/с (рис. 121) и увеличивается с ростом

жении разрушится при первом скачке, а когда ее полному разрушению будет предшествовать нестабильное (скачками) развитие усталостных трещин. Это не позволяет производить обоснованную оценку долговечности и предельной несущей способности циклически нагружаемых конструкций с трещинами. Поэтому является актуальным на основе комплексного исследования характеристик вязк-ости разрушения при циклическом, статическом и динамическом нагружениях с учетом влияния на эти характеристики технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов предложить модель предельного состояния конструкционных сплавов различных классов с трещинами при циклическом нагружении, которая бы позволила прогнозировать влияние режимов циклического нагружения на характеристики вязкости разрушения и закономерности нестабильного развития трещин при переходе от усталостного к хрупкому разрушению этих сплавов и разработать методику расчета долговечности материалов и конструкционных элементов при циклическом нагружении с учетом стадии нестабильного развития усталостных трещин в них.

Для решения указанных выше вопросов в ИПП АН УССР было проведено комплексное систематическое исследование характеристик вязкости разрушения при статическом, динамическом и циклическом нагружениях конструкционных сталей, применяемых в конструкциях, работающих при низких климатических температурах, в энергетическом оборудовании и в других отраслях. Методики определения характеристик вязкости разрушения при циклическом, статическом и динамическом нагружениях описаны в главе IV. Характеристики механических свойств исследованных сплавов и их термообработка приведены в главе IV.

Обобщение результатов исследований закономерностей стабильного и нестабильного развития усталостных трещин, характеристик вязкости разрушения конструкционных сплавов различных классов при статическом, циклическом и динамическом нагружениях при различных температурах и вариантах термической обработки образцов различных толщин, изложенных выше, позволило предложить и обосновать модель разрушения конструкционных сплавов с трещинами при циклическом нагружении [165], которая учитывает влияние цикличности нагружения на изменение реологических свойств материала в пластически деформируемой зоне у вершины трещины и динамический характер распространения трещины после ее страгивания. Модель позволяет прогнозировать соотношения значений характеристик вязкости разрушения при различных видах нагружения и кинетику нестабильного развития усталостных трещин для материалов различных классов в зависимости от режимов циклического нагружения.

Выполнение этих требований не только повышает надежность детали (в том числе и при динамическом нагружении), но и улучшает другие эксплуатационные характеристики, например сопротивление истиранию.

Механические испытания можно классифицировать также по характеру изменения нагрузки во времени. По этому принципу нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки относительно медленно возрастают от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды—минуты). При динамическом нагружении это возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и по величине.

Освещены современные представления к оценке напряженного состояния ресурса элементов технических систем с трещинами. Содержанием книги охватывается широкий вопрос о поведении тел с трещинами - от критериев распространения трещины и до решения ряда сложных задач технической механики разрушения. Рассматриваемые предельные и до предельные состояния равновесия при однократном, многократном, термическом и динамическом нагружении в упругих, вязкоупругих, унругопластических телах с трещинами. Изложены методы экспериментального определения характеристик трещиностойкости материалов.

При решении поставленных выше задач применяются как численные, так и аналитические методы в сочетании (в некоторых случаях) с результатами соответствующих экспериментов. Аналитические методы применяются, как правило, для плоских конструкций (бесконечная плоскость с полубесконечной или конечной трещиной, полоса с полубесконечной пли конечной трещиной, а также пространство с круговой в плане (дисковидной) трещиной). Аналитические решения задач динамической механики разрушения в случае трещин нормального разрыва, поперечного сдвига и продольного сдвига позволяют сделать важнейшие качественные выводы о процессах, предшествующих хрупкому разрушению при динамическом нагружении, и о распространении фронта разрушения.

Наиболее существенные результаты в динамической механике разрушения получены в рамках линеаризованной теории, в которой предполагается, что зона проявления нелинейных эффектов мала по сравнению с длиной трещины, а поле напряжений вокруг пластической области описывается асимптотическими формулами, полученными из решения упругой задачи. Это поле напряжений сингулярно, и главный член его разложения по степеням расстояния от конца трещины г, как и в статике, имеет вид K/1/r. Угловое же распределение напряжений и перемещений в окрестности вершины стационарной трещины одинаково при статическом и динамическом нагружении, а влияние инерционного эффекта заключается в том, что коэффициент интенсивности напряжений становится зависящим от времени. Кроме того, исследования показывают, что спустя некоторый период времени после приложения нагрузки характер зависимости коэффициентов интенсивности напряжений и импульсных нагрузок от времени идентичен. Однако в течение этого периода времени коэффициент интенсивности напряжений достигает своего пикового значения, иногда значительно превышающего статическое (аналогичный вывод можно сделать и в случае гармонического нагружения тела с трещиной).

Изложены общая теория процесса распространения волн напряжений, методы решения задач, связанных с расчетом напряжений в средах и .телах при импульсивном нагружении, а также в оболочках вращения при динамическом нагружении.

Четвертая глава посвящена рассмотрению напряженного состояния в оболочках вращения при динамическом нагружении. В частности, дано решение задач для оболочек вращения нулевой и не-

При динамическом нагружении тела возмущения распространяются с определенной конечной скоростью в виде волн напряжений. Фронт волны напряжений является поверхностью разрыва S, на которой дожны выполняться кинематические и динамические условия. В момент времени t с одной стороны поверхности S среда возмущена, имеют место перемещения и ее частиц; с другой стороны поверхности среда находится в покое, перемещений частиц нет. Однако выполнение гипотезы сплошности среды (материала тела) требует, чтобы при переходе через поверхность S перемещения оставались непрерывными, вследствие чего они должны исчезать на поверхности S:

где Е = Е0 + Е! — модуль мгновенной упругости; т — время действия нагрузки. Однако при динамическом нагружении большой интенсивности и малом времени действия тело Ишлинского переходит в абсолютно упругое тело с модулем упругости Е.

Как следует из формулы (3.1.7), при пластическом деформировании стержня распространяется множество волн напряжений различной интенсивности с различными скоростями, меньшими скорости распространения упругой волны, причем волне большей интенсивности соответствует меньшая скорость распространения. Волны напряжений, соответствующие пластическому деформированию стержня при динамическом нагружении, называются волнами Римана. Они, как показано X. А. Рахматулиным [35], описываются формулами

Изучение процесса распространения упругопластических волн в стержне при продольном ударе осуществлялось путем регистрации перемещений отдельных фиксированных сечений с помощью индукционных датчиков [9], обеспечивающих запись скорости сечений во время удара при осциллографировании. Экспериментальные данные сравнивались с результатами теоретического решения задачи о продольном растягивающем ударе с постоянной скоростью по стержню конечной длины [2, 3, 9], построенного на основании деформационной теории приближенн?,ш методом Г. А. Домбровского. При этом предполагалось, что при динамическом нагружении зависимость между напряжением и деформацией а-Ье такая же, как и при статическом нагружении. Статическая диаграмма о ч- е аппроксимировалась специально подобранными функциями, допускающими точное решение краевой задачи. Про-