2.4. Роль условий эксплуатации

При определении прочности эксперименты желательно проводить в условиях максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации деталей. Таким образом, необходим учет внешних воздействий.

К внешним факторам относят температуру, атмосферное давление, характер рабочей среды, смазку, схемы нагружения, продолжительность действия нагрузки.

Рабочая среда может быть жидкой, газообразной, ионизированной, радиационной. Как правило, среда оказывает отрицательное влияние на механические свойства материала. Так, рабочая среда может привести к повреждению поверхности из-за коррозионного растрескивания, окисления, насыщения примесными элементами.

Требуемая прочность будет обеспечена, если при выборе материала учитывать также диапазон рабочих температур в эксплуатационных условиях.

На прочность влияет схема нагружения и уровень ее мягкости. Схем, как правило, несколько. Схема нагружения, при которой сжимающие напряжения играют определяющую роль, является более мягкой, а значит – менее опасной.

3. Физическая сущность деформации и разрушения

3.1. Взаимосвязь напряжения и деформации

Деформация и разрушение в совокупности являются определяющими для прочности. Из всех механических свойств важнейшее – прочность материала, повышение которой при достаточном запасе пластичности и вязкости ведет к снижению материалоемкости конструкции. Прочность – это свойство, зависящее от энергии межатомной связи, структуры и химического состава материала. На рис. 3.1 показана зависимость энергий взаимодействия двух атомов –U от. межатомного расстояния – х, согласно модели парного взаимодействия двух атомов.

Рис. 3.1. Зависимость энергии и силы парного межатомного взаимодействия от расстояния между атомами

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания между ионами и силами притяжения между ионами и электронами. U → ∞, при х → 0; U → 0, при х → ∞. Из рисунка 3.1 видно, что равновесное расстояние – а соответствует случаю, когда силы отталкивания уравновешены силами притяжения.

Сближение атомов на расстояние, меньшее а, или удаление их на расстояние, большее а, осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания и притяжения, соответственно.

Потенциальная энергия парного взаимодействия, соответствующая равновесному состоянию между атомами является энергией связи U_св.

Энергия связи меняется от 0,2 эВ у цезия до 2,3 эВ у вольфрама и при пересчете на единицу площади дает напряжение разрыва – от 2 ГПа до 160 ГПа, соответственно.

Существует три вида напряжений: сжимающие, растягивающие и касательные. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызвать разрушения. Оно происходит под действием касательных или растягивающих напряжений.

В макроскопических теориях прочности различают выведенные Н.Н. Давиденковым два вида разрушения:

а) путем отрыва под действием растягивающих напряжений, при этом они определяются как отношение:

(3.1)

где Е – модуль Юнга; – относительная деформация, а – межатомное расстояние, Δε – абсолютная деформация.

б) путем сдвига под действием касательных напряжений за счет одновременного смещения одной части кристалла относительно другой, при этом напряжения определяются как:

(3.2).

где G – модуль сдвига.

В обоих случаях расчетная прочность на несколько порядков выше экспериментальной. Теоретическая прочность, сопротивление разрыву межатомных связей, в реальных кристаллах не достигается. Реальная прочность на два – три порядка ниже теоретической и определяется не столько межатомными силами связи, сколько структурой материала.

Вторая схема показывает прочность примерно на порядок ниже, чем первая, хотя также превышает экспериментальную прочность. Это отличие реальной прочности от теоретической в разные времена объяснялось по-разному.

Знание механизмов взаимодействия линейных дефектов между собой, с точечными дефектами, с поверхностными и объемными дефектами позволили бы определить причины пониженной реальной прочности. Изучение влияния плотности дислокаций на механические характеристики материала дало возможность получить зависимость прочности материала от плотности дислокаций (Одинг и Бочвар), которая представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Кривая Одинга-Бочвара

Как видно из рис. 3.2, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций приближенно составляющей 10⁴ – 10⁵ см^-2. При плотности дислокаций 10¹³ – 10¹⁴ см^-2 происходит разрушение, то есть, когда фактически не одной целой атомной плоскости нет.

Кривая, изображенная на рис. 3.2, дала основание разделить способы повышения прочности:

а) получение кристаллов с крайне низкой плотностью дислокаций, то есть меньше 10⁴ см^-2;

б) повышение прочности за счет наращивания плотности дислокаций, свыше 10⁵ см^-2.

Если плотность дислокаций уменьшается ниже 10⁴ см^-2 (рис. 3.2), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочность стремится к теоретической.

Повышение плотности дислокаций (свыше критического значения) приводит к взаимодействию дислокаций, ограничивающему их подвижность за счет образования порогов, появление дислокационных диполей и тому подобного.

Механизмы повышения плотности дислокаций изучены и известны, среди которых выделяют механизм Франка-Рида. При определенной плотности дислокаций их торможение становится настолько эффективным, что материал переходит в хрупкое состояние.

Упрочнение, связанное с повышением плотности дислокаций, следует рассматривать с учетом сопротивления материала сдвигу и отрыву. Оба эти сопротивления увеличиваются с повышением плотности дислокаций, но не одинаково.

Из рисунка 3.3 видно, что при определенной плотности дислокаций свыше ρ_кр, сопротивление отрыва становится меньше сопротивления сдвига, то есть материал переходит в хрупкое состояние. Учет дефектности кристалла определяет уровень реальной или экспериментальной прочности.

Деталь, которая эксплуатируется в реальных условиях, показывает значение конструкционной прочности материала.

Анализ механизма разрушения показывает правильность теоретических подходов, что проявляется в определенной связи упругих констант материала:

(3.3)

(3.4)

где E – модуль Юнга, G – модуль сдвига, K – модуль всестороннего сжатия, μ – коэффициент Пуассона.

Схема нагружения определяет состояние материала, которое определяется как внутренними, так и внешними факторами. Этот вид прочности еще на порядок ниже, чем реальная (экспериментальная) прочность и связан с формой, размером детали, температурой, схемой нагружения и так далее.

Рис. 3.3. Влияние механизма разрушения на прочность

3.2. Нагружение – причина деформации и разрушения

Не только сопротивление материала меняется в процессе нагружения, но и внешние факторы (усилие, температура, скорость), а поэтому современные теории деформации и разрушения применяют кинетический подход к исследованию этих процессов.

Необходимо помнить, что нагружение происходит в момент контакта машины и испытуемого образца, которые до этого контакта находились в равновесии. Состояние равновесия может быть механическим, химическим, статическим (когда макровеличины не зависят от времени). В процессе нагружения наступающее разрушение может привести к новому условию равновесия (на пример: при упрочнении в результате наклепа, изменении ориентировки кристалла, формы тела). Условие равновесия может быть достигнуто и в процессе разупрочнения (на пример: образование шейки, появление трещины), но здесь необходимо снижение внешних усилий.

По одной из схем все виды нагружения можно разделить на четыре типа:

а) механический или термический удар, который характеризуется резкой неоднородностью в распределении напряжения и тем, что длится доли секунды;

б) статическое однократное кратковременное нагружение, когда время нарастания напряжений одного порядка с временем действия нагрузки;

в) статическое однократное длительное нагружение, когда время действия нагрузки на много превышает время нарастания напряжений (как при ползучести);

г) статическое многократное нагружение (как при усталости).

Характер разрушения не всегда однозначно связан с типом нагружения, так, например, статический изгиб стеклянной пластинки заканчивается как удар, а ударный изгиб алюминиевого образца напоминает статическое нагружение.

Условия нагружения определяются рядом факторов:

- материалом, который обладает своим уровнем дефектности;

- схемой нагружения, так как каждая схема обладает своей степенью жесткости;

- телом, то есть деталью с конкретными параметрами – формой, размером.

Условия нагружения формируют состояние материала, которое подразделяется на: упругое, вязкое, пластическое, высокоэластичное и состояние разрушения. Причем, необходимо помнить, что это не свойство материала, а именно состояние. Так, например, чистый металл при низких температурах может быть в упругом состоянии, а при комнатной в пластическом и наоборот, в одних и тех же условиях нагружения разные материалы могут находиться в разных состояниях.

Упругое состояние характеризуется полной обратимостью и фактическим отсутствием диссипации (рассеяние) энергии. Примером может служить закаленная сталь, кварц, керамика.

Вязкое состояние противоположно упругому, здесь работа внешних сил, скомпенсированная сопротивлением касательных напряжений, полностью рассеивается в виде тепла. Уровень вязкости определяется уровнем сопротивления касательным напряжениям при росте скорости нагружения. Для вязкого состояния характерным является отсутствие сопротивления касательным напряжениям при нулевой скорости воздействия. Абсолютно вязким веществом являются жидкости.

Пластическое состояние не является упругим, так как имеется заметное рассеяние энергии и остаточное изменение формы и размера тела, но и не вязким, так как очевидна зависимость от скорости нагружения. Металлические материалы находятся, как правило, в вязкопластичном состоянии.

Высокоэластичное состояние характеризуется изменением размера и формы тела без изменения объема, это характерно для полимерных материалов, когда эти внешние изменения связаны с переориентацией молекул.

Состояние разрушения является наиболее неопределенным, так как трактуется разными авторами по-разному: это может быть физическое разрушение тела, может быть превышение допустимой доли упругой или пластической деформации или появление первой трещины критического размера.