§ 5. Влияние температуры на предельное напряженное состояние материала

Известные экспериментальные данные по исследованию влияния низких и высоких температур при сложном напряженном,состоянии весьма ограничены, хотя важные в принципиальном R6практиче­ ском отношении проблемы, связанные с влиянием температуры, требуют своего решения с соответствующим экспериментальным обоснованием. К таким проблемам в первую очередь следует от­ нести экспериментальное обоснование использования при низких и высоких температурах теорий прочности, нашедших удовлетвори­ тельное подтверждение в условиях нормальных температур, уста­ новление связи между напряжениями и деформациями за преде­ лом упругости и прежде всего экспериментальное подтверждение основных гипотез теорий пластичности, исследование влияния вида напряженного состояния на закономерности хрупкого разруше­ ния при низких температурах и др.

Температурные зависимости механических свойств отдельных конструкционных материалов при одноосном растяжении были при­ ведены в гл. V. Рассмотрим теперь некоторые результаты, полу­ ченные в условиях сложного напряженного состояния.

В Институте проблем прочности АН УССР проводилось исследо­ вание [ 152J закономерностей деформирования и разрушения угле­ родистой стали (0,53% С) в условиях двухосного растяжения и двухосного растяжения — сжатия при низких температурах. На­ пряженное состояние создавалось в трубчатом образце совместным действием внутреннего давления и осевой силы. В качестве рабочей среды для создания внутреннего давления в образце использовался этиловый спирт и изопентан. Все образцы были изготовлены из прутков диаметром 45 мм одной партии и после изготовления под­ вергнуты естественному старению в течение 28 месяцев.

Упругие и малые упруго-пластические деформации в процессе испытаний измерялись датчиками сопротивления, наклеенными на образец в продольном и поперечном направлениях. Для измере­ ния больших пластических деформаций использовался специаль­ ный тензометр.

Нагружение образца производилось ступенями и было близко к простому. Отклонения величины k — ^ от расчетного значения

на уровне предела текучести не превышали ± 2,5%.

Для проверки изотропности стали в исходном состоянии были проведены испытания образцов при нормальной температуре на одноосное растяжение в осевом и поперечном направлениях. Ра­ стяжение в поперечном направлении создавалось путем снятия дополнительным сжимающим усилием продольных напряжений, возникающих в образце от внутреннего давления. Кривые деформи­ рования при продольном и поперечном растяжении как в упругой,

вает на достаточно хорошую изотропию материала.

В первом и во втором случаях образцы разрушались по площад­ кам, наклоненным под углом, близким к 45°, к направлению ма­

чительное влияние радиальных напряжений, имевшихся в образце при испытании на кольцевое растяжение. Поэтому при дальнейших расчетах величиной аг, которая в срединной поверхности не превы­ шала 2,5% величины окружного напряжения, пренебрегали.

На рис. 78 показаны первичные кривые деформирования в истинных напряжениях и деформациях для трех соотношений глав­ ных нормальных напряжений: k = 0 ; + 1; — 2. Каждая из кри­ вых построена по результатам испытаний не менее двух образцов. Светлыми кружками отмечены кривые деформирования в осевом направлении, темными — в поперечном.

Абсолютные значения пределов текучести для трех уровней температур при k = — 1; 0; 1 представлены на рис. 79. Принимая за предел текучести материала то напряжение, которое соответ­ ствует 0,2% остаточного удлинения, из графиков (сплошные ли­ нии) находим, что с понижением температуры заметно повыша-

Рис. 81. Обобщенные кривые Tmax=T(Yniax) ПРИ нормальной темпе­ ратуре (а), при 173°К (б) и при 93°К (в) (условные обозначения те же, что на рис. 80).

ется предел текучести как при одноосном растяжении, так и при плоском напряженном состоянии, причем, если предел текучести при нормальной температуре принять равным единице, то для всех рассматриваемых видов напряженного состояния соотношение ме­ жду пределами текучести при температурах 293, 173 и 93° К будет приблизительно одинаковым и равным 1 1,25 : 1,61.

Величина 0,2% допуска на остаточную деформацию, соответ­ ствующая пределу текучести, является условной, теоретически не обоснованной. Поэтому на рис. 79 сопоставлены также абсолют­ ные значения пределов текучести, соответствующие допуску 0, 1% (штриховые линии).

Представляют интерес уровни напряжений при различных на­ пряженных состояниях на всем диапазоне деформирования, вплоть до разрушения. Такое сопоставление в координатах а( — е, и тшах — Ушах для трех уровней температур приведено на рис. 80 и 81, из которых видно, что при малых допусках на пластическую деформа­ цию лучшее соответствие опыту на всем диапазоне температур дает условие пластичности Мизеса. Причем наибольшее отклонение эк­ спериментальных точек от кривой одноосного растяжения наблю­ дается при температуре 73° К, в то время как при нормальной тем­ пературе кривая o’/ = aifii) может считаться инвариантом напряжен­ ного состояния.

При различных пластических деформациях в расположении эк­ спериментальных точек наблюдается некоторая закономерность. Точки, соответствующие положительным значениям отношения нор­ мальных напряжений (двухосное растяжение), легли ниже, а при отрицательных значениях этого отношения — выше кривой одно­ осного растяжения.

Специфичным для каждой температуры является и характер разрушения образцов. При одноосном растяжении при всех уров­ нях температур образцы разрушались по речениям, перпендику­ лярным к растягивающей силе. Однако, если при нормальной тем­ пературе разрушение происходило по площадкам, где действуют максимальные касательные напряжения, то при температурах 93 и 173° К разрушение происходило в плоскости действия главных нормальных напряжений, причем с понижением температуры по­ верхность разрушения становилась более рельефной, а при темпе­ ратуре 93°К кроме «сквозной» трещины (поверхность раздела) име­ лось несколько параллельных ей поперечных трещин.

При внутреннем давлении (k = — 1 и /е = + 1) образцы разру­ шались по образующей. В условиях нормальных температур длина трещин в большинстве случаев не превышала одной трети (реже — половины) длины рабочей части образца. При температуре 173°К продольная трещина распространялась на всю длину рабочей части и, сливаясь обычно в зоне галтели с поперечной трещиной, прини­ мала форму ласточкина хвоста. При температуре 93° К разруше­ ние носило чрезвычайно хрупкий характер. Трещины, очевидно,

начинали развиваться у галтели, распространяясь на большую

vполовину рабочей части, а иногда и на резьбовую часть образца. При этом сразу развивалось несколько трещин, в результате чего образец крошился, поверхность разрушения не имела определен­ ной ориентации.

Влияние напряженного состояния на сопротивление сталей 45, 40Х и сплава Д16Т при температурах жидкого азота исследова-

Рис. 82. Результаты испытаний об­ разцов с надрезом из стали 45 при нормальных (сплошные линии) и низких (штриховые линии) темпе­ ратурах [133].

лось в работе [133] путем определения прочности серии цилиндри­ ческих образцов с набором выточек различной глубины, но имеющих такую кривизну, при которой местное повышение напряжений оставалось неизменным (Kt = const). На рис. 82 показаны резуль­ таты испытаний стали 45 при нормальных и низких температурах. Легко заметить, что вид напряженного состояния (глубина t вы­ точки) по-разному влияет на прочность образцов при нормальных

инизких температурах. Так, если при нормальных температурах

свозрастанием объемности напряженного состояния прочность уве­

личивается, то при температуре — 196е С с увеличением выточки от 2 до 5 мм прочность падает на всем диапазоне значений коэффи­ циента концентрации. Кроме того, начиная с Kt = 2, прочность при низких температурах падает при всех исследованных видах напряженного состояния (t = 0 ,5 ; 2; 5).

В работе [112] исследовались малоуглеродистые стали с разным размером зерна при растяжении и кручении. Испытания прово­ дились при температуре жидкого азота. Как видно из рис. 83 и 84,

сувеличением размера зерна увеличивается уровень деформаций

инапряжений, соответствующих предельным напряженным состо­

Некоторые качественные результаты по низкотемпературным испытаниям малоуглеродистых и ряда низколегированных сталей при плоском напряженном состоянии получены в работах [4, 5, 12, 175, 351, 366, 3671.

В работах [141, 151] приведены результаты исследования проч­ ности стали 1Х18Н9Т в условиях двухосного растяжения при температурах до 1093°К. Испытания проводились на трубчатых об-

разцах, смонтированных на специальном устройстве [140], обеспе­ чивающем передачу на образец осевой силы со стороны нагружаю­ щей системы, создание в его внутренней полости необходимого дав­ ления газовой рабочей среды, а также нагрев и стабилизацию тем­ пературы во время испытания. Подсчет осевой, окружной и ради­ альной деформаций, как и истинных разрушающих напряжений, производился по результатам обмера образца после разру­ шения.

На рис. 85 показаны предельные кривые разрушения исследо­ ванной стали для пяти уровней температур в условных и истинных напряжениях. Из рисунка видно, что в диапазоне температур от нормальных до 1093°К предельные кривые разрушения хромоникельтитановой стали находятся в зоне, ограниченной условиями Мизеса и Кулона. При высоких температурах экспериментальные точки больше тяготеют к условию Кулона.

В работах [15, 71] описаны результаты испытаний некоторых высокопрочных и легированных сталей при. плоском напряженном состоянии в условиях повышенных температур. Существенного из­ менения характера предельной кривой с ростом температуры здесь также не обнаружено.