Разрушающему напряжению

Основные положения. В основе известных расчета на прочность используется линейная механика разрушения. При небольших, сравнительно с пределом текучести, разрушающих напряжениях деталь находится в хрупком состоянии. Тогда справедливы асимптотические оценки напряженного состояния в окрестности вершины трещины и расчет на прочность можно вести по известному критерию Ирвина (К < Кс) линейной механики разрушения. С повышением уровня разрушающих напряжений зона пластических деформаций, окружающая вершину трещины, увеличивается в размерах. Если номинальное разрушающее напряжение больше предела текучести, то разрушение можно назвать квазихрупким. При этом асимптотические оценки напряжений у вершины трещины перестают быть справедливыми, понятие коэффициента интенсивности отсутствует и для расчета детали на квазихрупкое состояние требуются другие методы (даваемые нелинейной механики разрушения). На температурной зависимости разрушающего напряжения области хрупкого и квазихрупкого состояний отделяются так называемой второй критической температурой [10], т. е. той температурой, при которой номинальное разрушающее напряжение образца с трещиной равно пределу текучести при данной температуре. Поскольку разрушающее напряжение зависит от длины трещины, то при изменении длины трещины можем получать области хрупких и квазихрупких состояний при одной и той же температуре детали. Следовательно, желателен единый метод расчета для хрупкого и квазихрупкого состояния, поскольку расчет должен предусматривать варьирование длины трещины путем введения соответ-

эффициента интенсивности напряжений есть функция разрушающего напряжения, которое может быть выражено через запас прочности (разрушающее напряжение в опасной точке равно сть/(п); то предел трещиностоикости есть Кс в функции п или 1(п). При m = 1 из уравнения (4.1) находим критическую длину трещины при заданном п. При m > 1 длина трещины (при том же п) будет меньше критической. Эту длину можно считать допустимой, если есть обоснованное число т. Следовательно, для проведения расчета на прочность при статической нагрузке надо экспериментально найти предел трещиностоикости.

Испытания плоских образцов с трещиной в достаточном температурном диапазоне показали, что при длине трещины 40 мм разрушающее напряжение составляет (с одновременным учетом уменьшения разрушающего напряжения за счет кривизны стенки цилиндрического сосуда) 7 • 107 Н/м2 при температуре 5°С. Таким образом, установлена причина хрупкого разрушения: усталостная трещина за срок эксплуатации выросла до критических размеров (причем эта трещина не прошла толщину стенки насквозь) при данной температуре. Из этого примера видна опасность трещин, критические размеры которых меньше толщины стенки сосуда. Если бы критической оказалась сквозная трещина, то перед быстрым хрупким разрушением наблюдалась бы утечка газа из баллона и тогда баллон был бы снят с эксплуатации до его полного разрушения. Для предупреждения подобных случаев следует изменить параметры сосуда так, чтобы критической оказалась сквозная трещина.

Понижение температуры практически не изменяет сопротивления отрыву SOT (разрушающего напряжения), но повышает сопротивление пластической деформации сгт (предел текучести). Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко. В указанных условиях сопротивление отрыву достигается при напряжениях меньших, чем предел текучести. Точка t пересечения кривых 5ОТ и сгт, соответствующая температуре перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, получила название критической температуры хрупкости или порога хладноломкости (/,,. х). Чем выше скорость деформации, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению. С увеличением остроты и глубины надреза склонность к хрупкому разрушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем больше вероятность хрупкого разрушения (масштабный фактор).

Современная практика конструирования отходит от оценки прочности по величине разрушающего напряжения ств, так как Задолго до разрушения деталь выходит из строя в результате значительных пластических деформаций. - - ------ ----------------- - --

Предел выносливости большинства конструкционных сталей определяют при 106 —107 циклов. Эти цифры берут за основу как базовое число циклов. Для цветных сплавов, например алюминиевых, число перемен нагрузок гораздо выше (107 — 108 циклов). Даже-после этого часто наблюдается дальнейшее медленное падение разрушающего напряжения (рис. 159, г), откуда можно заключить, что предела в указанном выше смысле для этих металлов не существует. В таких случаях определяют условный предел выносливости, как напряжение, не вызывающее разрушения образца при определенном числе циклов (обычно 5 • 107 циклов).

(точки со штрихами). При определенном числе циклов и уровне напряжений (кривая 1) образуется множество трещин, видимых под оптическим микроскопом (заштрихованные точки). Начало образования металлографически обнаруживаемых трещин условно считают порогом трещинообра-з о в а н и я. У низколегированных и углеродистых сталей первые трещины появляются при напряжениях, равных 0,7 — 0,8 разрушающего напряжения; у высоколегированных сталей и сплавов алюминия и магния микротрещины обнаруживаются уже при напряжениях, равных 0,4—0,6 разрушающего напряжения. Порог трещинообразования снижается с укрупнением зерна. Микротрещины могут длительное время оставаться в пределах кристаллических объемов (нераспространяющиеся трещины), не вызывая заметного снижения прочности.

С приближением напряжений к пределам выносливости развитие трещин вступает в критическую фазу (кривая 2): микротрещины, прогрессивно расширяясь, превращаются в макротрещины (полузачерненные точки), которые приводят к разрушению (черные точки на кривой 3), Практический предел нагружаемости лежит несколько ниже кривой 2, которая в зависимости от свойств и кристаллического" строения металла соответствует напряжениям, равным 0,8—0,9 разрушающего напряжения.

Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерен, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспространяющихся трещин (рис. 196), увеличение которой и обусловливает повышение разрушающего напряжения (кривые 1). Порог трещино-образования (кривые 2) повышается мало.

При некоторых условиях эксплуатации котлов на стенках труб со стороны воды образуются отложения оксидов металлов и неорганических соединений. В зоне отложения происходит местный перегрев, сопровождающийся добавочным осаждением из воды растворенных веществ. В результате этого обычно возникают язвы или трубы забиваются, что приводит к еще большему местному нагреву и появлению разрушающего напряжения в трубе. Кроме того, водород, образующийся в результате коррозии железа, может проникать в сталь. Начинается обезуглероживание, которое сопровождается образованием микротрещин вдоль границ зерен и может вызвать разрыв трубы. Разрушения такого типа могут происходить без значительного уменьшения толщины стенки трубы. При отсутствии отложений на трубах котлов подобных коррозионных разрушений не наблюдается [28].

Зависимость относительного разрушающего напряжения труб с трещиноподобными дефектами от их относительной глубины

Таким образом, по известному разрушающему напряжению в нетто-сечении представляется возможным определять предел трещиностойкости:

вводится параметр атр, характеризующий чувствительность стали к дефектам и представляющий собой отношение разрушающих напряжений в нетто-сечении aiH к разрушающему напряжению бездефектного элемента ain :

В связи с затрудненностью пластической деформации предел текучести у керамик фактически соответствует разрушающему напряжению. Поэ-ому керамики с ковалентной овявью хрупки как в виде монокристаллов, так и в поликриоталлическом состоянии.

В формуле (6.19) параметр FH представляет собой отношение фактического окружного напряжения <3ф к предельному (разрушающему) окружному напряжению апр, определяемому по формуле (6.12).

3.3. Для оценки влияния концентрации напряжений на разрушающее окружное напряжение ов кр вводится коэффициент <хтр, характеризующий чувствительность стали к дефектам и представляющий собой отношение разрушающих напряжений сосуда с дефектом авкр к разрушающему напряжению бездефектного сосуда а'ц*р:

Таким образом, по известному разрушающему напряжению в нетто-сечении представляется возможным определять предел трещиностойкости: асо

атр, характеризующий чувствительность стали к дефектам и представляющий собой отношение разрушающих напряжений сосуда с дефектом а кр к разрушающему напряжению

Для установлений числа циклов точки пересечения ветвей ycfa-лостной кривой б (N$) из точки на левей оси ординат, соответствующей разрушающему напряжению (ир), проводят линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с диагональю номограммы. Величина Л/g определяется как абсцисса точки'пересечения, отсчитываемая

Скорость счета N АЭ зависит от длины / трещины, скорости /' ее роста, полного числа п циклов нагружеыия, напряжения а и относительной деформации е. Все многообразие экспериментальных зависимостей N — f (e) можно разбить на три типичных случая, показанных на рис. 9.26. Во время испытаний многих материалов наблюдается быстрое повышение скорости счета АЭ при деформации до предела текучести. Затем для одних материалов после спада начинается увеличение N перед разрушением (кривая 3); для других после достижения предела текучести интенсивность не снижается, но рост сильно замедляется (кривая /} Типичен также непрерывный рост интенсивности АЭ, значительно ускоряющийся при приближении к разрушающему напряжению (кривая 2). Резкие изменения скорости счета АЭ свидетельствуют о смене стадий деформирования. По ним можно получать информа цию о механических свойствах испытуемого материала, например, о пределе текучести, разрушающем напряжении. Из-за плохой воспроизводимости эксперимента этот метод практически не используется для контроля механических свойств.

ло — эпоксид (объемная доля волокон 56 %) с двумя типами материалов матриц: хрупким и вязким. В хрупком композите разрушение начиналось от разрушения волокна при его растяжении, а электронно-сканирующая микрофотография показала, что волокна вытаскиваются из матрицы. В вязком композите разрушение начиналось в зоне сжатия балки в основном за счет пластических сжимающих деформаций матрицы. Экспериментальные результаты для двух материалов представлены на рис. 37. Приближенное значение сжимающего напряжения в матрице от при разрушении композита вычислялось по разрушающему напряжению композита ас при помощи соотношения

В работах [115, 189, 234] сформулировано условие малоциклового усталостного разрушения в силовой трактовке. Предполагается, что разрушение (образование трещин) в циклически деформируемой детали наступает тогда, когда напряжения в наиболее нагруженной точке достигают значения, соответствующего при данном числе циклов разрушающему напряжению, определенному по кривой долговечности в условиях мягкого нагружения для материала при однородном напряженном состоянии.