Разрушающем напряжении

Человек продолжает использовать океан и прибрежную зону для добычи минерального сырья, продуктов питания и в других целях, поэтому ему приходится решать связанную с этой деятельностью проблему поиска материалов, способных противостоять разрушающему воздействию среды. По мере развития таких отраслей, как морское бурение, разработка морских месторождений полезных ископаемых, извлечение металлов из морской воды и морская метеорология, необходимо разрабатывать и наилучшие материалы для этих новых областей.

Полимерные материалы представляют значительный интерес для морской технологии, так как могут быть использованы для изготовления оболочек кабелей подводных линий связи, швартовых тросов, уплотнений, прокладок и различных деталей конструкций. Полимеры сочетают хорошие' электрические свойства с высокой стойкостью к общему разрушению и коррозии в воде, а также к разрушающему воздействию биологических факторов. Для получения общей информации о поведении полимерных материалов в океанских средах и для изучения их эксплуатационных свойств был проведен ряд продолжительных натурных испытаний.

При выборе материалов для продолжительной экспозиции в океане необходимо учитывать склонность к разрушению под действием биологических факторов и вследствие химического взаимодействия с морской водой. Для оценки влияния этих факторов 'проводились натурные испытания различных полимерных и композиционных материалов в океане продолжительностью до 15 лет. Испытания проводились на пластиковых материалах в форме листов, прутков, пленок и тросов. За исключением, как правило, пластиков на основе производных целлюлозы, эти материалы не подвергались разрушающему воздействию со стороны морских микроорганизмов. Однако любой материал может подвергнуться воздействию морских точильщиков. Если это происходит, то1 повреждение обычно имеет вид мелких поверхностных ямок. Проникновению точильщиков может способствовать близкое расположение других материалов, сильно подверженных поражению точильщиками (например, дерева). Вероятность появления в материале точильщиков возрастает в областях повышенной морской биологической активности: на теплом мелководье она выше, чем в более холодных глубинных водах, а в донных отложениях выше, чем в воде над дном. Согласно некоторым данным материалы с твердыми поверхностями или, наоборот, с гладкими воскообразными поверхностями, менее подвержены воздействию точильщиков. Наблюдались, однако, и исключения из этого общего правила.

Проведенные многочисленные испытания каучуков показали, что эти материалы обладают обычно хорошей стойкостью к разрушающему воздействию морских точильщиков и микроорганизмов. Каучуки характеризуются средними потерями физических свойств при экспозиции в воде. Большинство каучуковых материалов либо вообще не разрушались за время испытаний, либо имели только слабые поверхностные повреждения. Основные исключения — силиконовый каучук и полиуретан. Силиконовый каучук был подвержен сильному общему поверхностному разрушению, вероятно, морскими животными, а также воздействию точильщиков. Полиуретаны на основе сложных эфиров не устойчивы в воде при продолжительной экспозиции, тогда как полиуретаны на основе простых эфиров стабильны. Для большинства каучуковых материалов наблюдалось существенное уменьшение относительного удлинения после продолжительной экспозиции в океане.

Готовые к употреблению боеприпасы ведут себя в морской воде не так, как отдельные ингредиенты или смеси-полуфабрикаты. Как правило, боеприпасы и ящики для них проектируются таким образом, чтобы обеспечить их сохранность в тяжелых полевых и походных условиях. Содержимое снарядов достаточно хорошо защищено от воздействия влаги в жидком и газообразном состоянии, поэтому многие боеприпасы способны выдержать погружение на среднюю глубину. С возрастанием глубины, однако, число разрушений будет увеличиваться и только изделия в очень прочных, массивных корпусах, такие как бомбы, ракеты и боеголовки, способны противостоять разрушающему воздействию давления на больших глубинах. Как правило, крупные изделия и ракетные двигатели, имеющие сравнительно непрочные уплотнения, предназначенные для защиты от атмосферных воздействий, на любой глубине чаще пропускают воду, чем, например, боеприпасы для оружия малых калибров. Оболочки снарядов могут быть повреждены также в результате механических воздействий, например вследствие коллапса переборок корпусов или в результате удара о каменистое дно. При долговременной экспозиции металлические корпуса могут разрушаться вследствие коррозии, а пластиковые изделия могут подвергнуться сильному воздействию продуктов реакции топлива с морской водой. В результате практически невозможно предсказать, в какой степени будут повреждены и намокнут боеприпасы, затонувшие на средних глубинах. Все подобные изделия, обнаруженные под водой, следует считать исправными и опасными, пока не доказано обратное,

чением скорости истечения топлива с кромки распылителя срываются не отдельные капли, а тонкие струи. Когда топливные струи окружают распылитель сплошным веером, число их не возрастает, а они только увеличиваются в диаметре. При высоких скоростях истечения центробежные силы растягивают тор в сплошную пленку, которая по мере удаления от распылителя становится тоньше. Если силы поверхностного натяжения не могут препятствовать разрушающему воздействию колебаний поверхности, пленка разрывается, образуются отдельные частицы, которые затем формируются в капли.

Химическая или коррозионная стойкость — способность материала противостоять разрушающему воздействию агрессивных сред (газов, щелочей, кислот или растворов солей, расплавленных шлаков, руды или других минеральных материалов), в которых он предназначен работать. Стойкость против кислот и щелочей, %, определяется, например, кипячением в регламентированных условиях (ГОСТ 12020-72) образца материала в них и определяется отноше-

В тех случаях, когда морское побережье подвержено разрушающему воздействию волнового прибоя, водозаборные устройства необходимо защищать насыпными дамбами. Конструкции заградительных дамб могут быть различными. На рис. 9-9 представлен ковшовый водозабор с заградительной дамбой, выполненной из наброски искусственных бетонных блоков объемом по 5—8 м3 каждый. Дамба, созданная из искусственных блоков, является хорошим гасителем энергии прибоя. Морская волка, подходя к такой дамбе, как бы «впитывается» в нее. Заградительные дамбы не только защищают береговые сооружения от разрушения, но и предохраняют входные окна водоприемника от забивания их водорослями, а в зимнее время — шугой.

Для деталей второй группы характерно отсутствие трибопары в традиционном понимании. Эти детали подвержены только разрушающему воздействию внешней среды. Для них типично абразивное изнашивание, например истирание почвой плужных лемехов, гидро- и газоабразивное

Химическая или коррозионная стойкость — способность материала противостоять разрушающему воздействию агрессивных сред (газов, щелочей, кислот или растворов солей, расплавленных шлаков, руды и других минеральных материалов), в которых он предназначен работать. Стойкость против кислот и щелочей, %, определяется кипячением в регламентируемых условиях (ГОСТ 12020-72) образца материала в них и определяется отношением остаточной массы к первоначальной (nj2 Im \) 100 %.

в. Огнеупорная футеровка. Только основная, состоящая из доломита, магнезита или других огнеупорных материалов, у которых содержание MgO соответствует интервалу между содержанием его в доломите и магнезите, изготавливается на смоляной связке или спеканием. В последнее время применяют так называемые «улучшенные» огнеупорные материалы (с оптимальным содержанием С для повышения устойчивости к разрушающему воздействию шлаков). Расход огнеупоров составляет 2,7—5 кг/т стали. Схема футеровки 30-т конвертора показана на рис. 4.19 [139].

С целью определения величины «о введем коэффициент снижения прочности а = 0в/ос. При разрушающем напряжении, равном о,, допустимая длина трещины становится

Найдем разрушающую глубину трещины расчетным путем. .Предел трещпкостойкости запишем в виде (33.3), куда подставим среднюю величину Л",,. -;- 2.110 11/мм:/' для продольного направления. И.ч равенства (33.2) при разрушающем напряжении о"« — =-1344 П/м.\г находим критическую глубину трещины /,: —О.Г>8 мм (рис. ЗГ).Н). Сравнивая эту величину с экспериментальным значением 0,7(5 мм, делаем вывод о том, что расчет дает страховочные (и запас, прочности) значения критического размера трещины.

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.

Для применения приведенной выше зависимости необходимы три условия. Во-первых, величина энергии разрушения, измеренная на образцах с относительно большими трещинами, должна предполагаться пригодной для существенно меньших трещин, которые вызывают разрушение. Как будет показано, вычисленная длина трещины обычно значительно больше микроструктурного размера материала, от которого зависит его энергия разрушения, т. е. это условие обычно удовлетворяется. Во-вторых, величина использованного модуля упругости должна представлять собой характеристику материала при разрушающем напряжении. Другими словами, должно быть учтено любое изменение измеренного модуля, например изменение вследствие образования трещин перед разрушением. В-третьих, должны быть сделаны допущения о геометрии и расположении трещины для того, чтобы определить величину безразмерной постоянной А. Для полукруглых поверхностных и внутренних круглых трещин* пригодна величина А = = ]Лгс, хотя это и произвольный выбор [58]. Таким образом,. вычисленный размер трещины является лишь оценкой; однако в сравнительном плане этот размер можно использовать для определения влияния частиц на размер трещины, вызывающей начало-разрушения композитного материала.

При достаточно высокой температуре конструкция разрушается при весьма высоких разрушающих напряжениях и остаточные напряжения не оказывают влияния на величину последних. Когда температура работы конструкции ниже критической температуры торможения процесса распространения хрупкой трещины (для основного металла конструкции), хрупкое разрушение может возникнуть при довольно низких напряжениях, однако при этом трещина остановится после распространения на некоторую длину. Полное разрушение конструкций происходит при высоком разрушающем напряжении. В этом случае остаточные напряжения оказывают влияние на работоспособность конструкции. При температуре испытания ниже температуры торможения трещины хрупкое разрушение будет происходить так: а) если напряжение от внешней нагрузки, при котором возникла трещина, ниже критического напряжения, обусловливающего хрупкое разрушение при данной температуре, распространение трещины приостановится, а полное разрушение произойдет при высоких разрушающих напряжениях. В этом случае остаточные напряжения не влияют на величину разрушающей нагрузки; б) если напряжение возникновения трещины выше критического напряжения, трещина распространится на все сечение образца, конструкция будет полностью разрушена при небольших значениях разрушающего напряжения. В этом случае остаточные напряжения оказывают существенное влияние на несущую способность конструкции.

Относительный модуль упругости. Модуль упругости чугуна является условной величиной, так как линия упругихдеформаций начинает значительно отклоняться от прямой при нагрузках, превышающих 50—600/0 от аь [121,131]. Поэтому правильнее назвать модуль относительным, т.е. отнесённым к определённым условиям испытаний. Относительный модуль упругости чугуна определяется несколькими методами: при разрушающем напряжении <зй [133] (Eab), при заданном напряжении of [131] (?а/) и при напряжении, выраженном в а% от разрушающего чь [134] (Ел,ь). В некоторых случаях

модуль упругости определяется по отношению к суммарным, а не только упругим деформациям [121]. Ввиду характера наклона кривой упругих деформаций модуль, определённый при разрушающем напряжении (Е„ь ), всегда меньше, чем определённый при более низком напряжении (Яа„4). Если принять ?0ft за 1,0, то

В работах [42, 43] в основу метода описания повреждений положено представление о разрушающем напряжении как некотором функционале режима нагружения а (т). Соотношение (3.19) является примером такого функционала, который получен из кинетического уравнения (3.16). Таким образом, оба метода описания повреждений друг другу не противоречат, а при определенных предположениях относительно вида кинетического уравнения оказываются эквивалентными.

Сведения о разрушающем напряжении для металла дуговой плавки при

Данные о ползучести и длительной прочности тантала сведены в табл. 12. Они получены Хольденом и сотр. [441 для металла электронно-лучевой плавки в рекристаллизованном состоянии для интервала температур- 500 -1400° и в деформированном состоянии для температур от комнатной до 750 . Сведения о разрушающем напряжении для металла дуговой плавки при 1649° даны Торти [92]. Ползучесть и длительная прочность металлокерами-ческого тантала определены Престоном и сотр. [74] при 1649, 2204 и 2760'. Аллен и Кэррингтон 12] сообщили результаты испытаний на ползучесть при сжатии при 1000°. Результаты работы [44] представлены графически на рис. 12.

Отсюда находим }с = 7,3 мм. Таким образом, разрушение трубопровода произошло квазихрупким образом, при окружном разрушающем напряжении выше предела текучести, но ниже временного сопротивления из-за трещины длиной около 15 мм.