книги из ГПНТБ / Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов

каждая карта состоит из атомов, расположенных в плоскости наи­ большей плотности. По схемам 2 зерна и модели пластическая де­ формация происходит путем сдвига, при котором размещение атомов в частях зерна, разделенных плоскостью скольжения АВ, не изме­ няется. По схемам 3 деформация происходит путем двойникования, и в одной части зерна размещение атомов изменяется.

Согласно рассмотренным представлениям, сопротивление мате­ риалов деформированию разделяется на два вида (рис. 6):

что соответствует области упругой деформации. С развитием реоло­ гического процесса сопротивление деформированию возрастает со значительно меньшей интенсивностью, чем при упругом состоянии. В зависимости от степени развития реологического процесса в объеме напряженной детали возникает большее или меньшее повреждение материала.

Представления о строении материала предопределяют направле­ ния теоретических исследований сопротивления деформированию и разрушению. Феноменологическая теория, например, предельно упрощает модель материала, считая его сплошным, однородным и изотропным. Принятие упрощенной модели поддерживается тем, что при большом числе произвольно расположенных кристалличе­ ских зерен, обладающих иногда весьма резко выраженной анизо­ тропией, металлический материал обнаруживает осредненные упру­

= 10 040 кгс/мм2. Таким образом, дискретная природа материала феноменологической теорией не учитывается.

20

Атомно-молекулярная теория рассматривает свойства материала в зависимости от атомно-кристаллической решетки и от ее дефектов. По статистической теории пластичности и прочности учитывается микронеоднородность материала, а механические свойства опреде­ ляются согласно понятиям теории вероятностей.

§5

Неразрушающие и разрушающие повреждения: Признаки предельных состояний

Перегрузки конструкций создают угрозу по­ вреждения материала перенапряженных деталей вследствие реоло­ гического процесса.

Повреждения можно разделить на два вида:

1) неразрушающие с сопутствующей потерей первоначальной геометрической формы;

2) разрушающие, для которых характерна потеря сплошности. Неразрушающие повреждения возникают под влиянием кратко­ временной одноразовой или немногократной нагрузки, возбужда­ ющей напряжение, равное пределу текучести материала или превы­ шающее его; к неразрушающему повреждению приводит длительное напряжение, не достигающее предела текучести, но способное вы­ звать временной эффект в виде ползучести или пластического после­ действия. Для неразрушающих повреждений характерно настолько значительное остаточное изменение геометрической формы детали,

что исключается возможность их дальнейшей эксплуатации.

Для разрушающих повреждений характерно трещинообразование, иногда при отсутствии заметной пластической деформации. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что разрушающее повреждение может вызываться меньшей нагрузкой, чем пластиче­ ское повреждение. Другими словами, причина разрушающего по­ вреждения заключается не только в величине нагрузки, но и в дей­ ствии других факторов. Например, в условиях торможения пласти­ ческой деформации возрастание напряжений создает угрозу хрупкого разрушения. Также без заметной пластической деформации возни­ кают трещины усталости под влиянием повторно-переменного напря­ жения; в последнем случае отсутствие заметной остаточной деформа­ ции объясняется избирательным охватом пластической деформацией небольшой части микрообъемов в макроскопическом упругом объеме переменно-напряженной детали. В некоторых случаях трещины образуются исключительно из-за влияния местных условий, напри­ мер из-за возбуждения остаточных напряжений и подкалки стали в зоне термического влияния после сварки или после сосредоточен­ ного нагрева и остывания. При этом трещины бывают малой длины. Нераспространяющиеся трещины образуются как в период по­ стройки конструкции, в связи с технологическими и пробными воз­ действиями, так и при эксплуатации, особенно в начальный период, когда дают себя знать дефекты, не обнаруженные при постройке и сдаче конструкции. В условиях повторно-переменного действия

21

нагрузки, при весьма заостренных концентраторах напряжений, могут возникать нераспространяющиеся трещины усталости неболь­ шой глубины. Но в большинстве случаев концентрация напряжений бывает умеренной и образовавшиеся трещины усталости продолжают распространяться меньшими или большими темпами. При обнару­ жении таких трещин принимаются меры к исправлению поврежде­ ний и к подкреплению конструкции в угрожаемой зоне.

Возникновение трещин следует рассматривать как серьезное предупреждение о возможности аварий и отказа конструкции. Такое заключение можно сделать на том основании, что первичные трещины, не распространяющиеся в одних условиях, могут распро­ страняться мгновенно на большие расстояния в других, менее благо­ приятных условиях.-

Приведенные повреждения характеризуют различные предельные состояния, встречающиеся в практике эксплуатации металлокон­ струкций и машинного оборудования. Предельные состояния бывают разнообразными в зависимости от механических и физико-химиче­ ских факторов эксплуатации и от свойств материала конструкции. Из этого разнообразия можно выделить следующие характерные предельные состояния и их признаки, не исключая промежуточных состояний.

I. Предельные состояния потери формы:

1) фибровая текучесть при неравномерном распределении напря­ жений, например наступление текучести в крайнем волокне изги­ баемой балки из пластичного материала, или текучести материала на поверхности круглого стержня при кручении;

2) охват текучестью макроскопических областей, приводящий к утрате геометрической неизменяемости рассматриваемого элемента и к превращению его в подвижную систему;

3)пластическое последействие, ползучесть.

II. Предельные состояния потери сплошности:

1) образование трещин хрупкого разрушения, которое опережает текучесть;

2) образование трещин усталости.

§ 6

Параметры напряженного состояния, влияющие на реологический процесс

При изучении пластичности и прочности ма­ териалов большое внимание уделяется виду напряженного состоя­ ния и составляющим тензора напряжений. В общем случае напря­ женного состояния рассматривается пространственный тензор напря­ жения. Этот тензор может представляться тремя главными напря­ жениями, образующими неравенство

Поскольку результативность напряжений зависит не только от их значения, но и от соотношения главных напряжений, то целесооб-

22

разно рассматривать относительные главные напряжения как сле­ дующие безразмерные величины:

Упругая часть главных деформаций связана с главными напря­

Относительное изменение объема вследствие упругой деформации

где о8 = 01 + qa + 03---- нормальное напряжение на октаэдрической

площадке, численно равное среднему значению из трех главных напряжений. Октаэдрические площадки расположены с одинаковым наклоном к трем главным площадкам и образуют восьмигранник.

Не касаясь пока циклической напряженности и усталости, рас­ смотрим результаты перенапряжения металлического материала. В последнем случае возрастание главных напряжений влечет за собой развитие реологического процесса, для которого характерно течение материала, либо вызывает хрупкое разрушение, опережа­ ющее развитие течения.

По теориям предельных состояний наступление этих состояний характеризуется обобщенными напряжениями, принимаемыми в ка­ честве констант. В случае хрупкого разрушения рассматриваются

23

Предельные значения напряжений устанавливаются экспери­ ментально для простейшего случая осевого растяжения как аот (для хрупкого) или стт (для пластического) деформирования кон­ струкций.

Представленные четыре теории прочности во многом произвольны, поскольку рассматривают материал как сплошной, однородный и изотропный. Но, несмотря на упрощения относительно строения материала, указанные теории позволяют успешно решать важные практические задачи по пластичности и прочности.

Используя теории предельных состояний, можно рассматривать критерии хрупкого разрушения в сравнении с критериями течения материала. С этой целью разделим обобщенные напряжения по тео­ риям хрупкой прочности на напряжения по теориям пластичности и получим, в частности, следующие безразмерные параметры же­

равны единице. При напряженных состояниях более жестких, чем осевое растяжение, у i > 1 и у i > 1 и возможность хрупкого

тт

разрушения становится выше. На наступление предельного состоя­ ния влияет и потенциальная энергия упругого изменения объема. Эта энергия зависит от среднего, или октаэдрического, нормального напряжения 08. Напряжение сг8 относим к наибольшему главному растягивающему напряжению и приводим полученный безраз­ мерный параметр к единице для случая осевого растяжения:

Для прогнозирования предельного состояния может оказаться полезным сравнение значений потенциальной энергии изменения объема и изменения формы. Учитывая, что энергия формоизменения связана с касательными напряжениями на октаэдрической площадке или с напряжением aiV, введем еще один безразмерный параметр

24

I 1

Частные значений параметров напряженности в характерных случаях деформирования

Применительно к практической работе мате* риала в составе деталей, в табл. 2 приведены некоторые характер- •. ные напряженные состояния и соответствующие им значения отно­ сительных главных напряжений г2, t3, а также значения параметра

= 72. = 1 j в случае перехода от упругой деформации к пластиче­

ской. С усилением объемности напряженного состояния пара­ метр 72, увеличивается и представляется горизонтальными линиями,

железа исследованием Н. К. Снитко [62] на основе статистической

теории с учетом внутрикристаллической структуры, а также опыт­ ными данными.

25

ТТ Т Т

Для выяснения достоверности теорий прочности можно восполь­ зоваться практическими данными о хрупких разрушениях плоско­ напряженных листовых элементов из стали. Охрупчивание в этих

случаях объясняется возрастанием значения у i в неблагоприятных

т

условиях на 15,5% в отличие от у i = 1 для осевого растяжения

т

(рис. 8). Значения у i не обнару-

Т

живают такого повышения, а зна­ чения у 2 и у 2 противоречат по-

и объемном растяжениях (рис. 9). Согласно этому рисунку значе­ ние За8, взятое относительно сгlf при объемном растяжении может быть втрое больше, чем при осевом растяжении. Соответствующие значения потенциальной энергии изменения объема, рассчитанные

Зо8(1 — 2ц)

по формуле м0 = ----- ^ ----- , при объемном растяжении могут

быть в 9 раз больше, чем при осевом растяжении. По некоторым практическим соображениям полагают, что деформационное изме­ нение объема и соответствующее накопление потенциальной энергии отрицательно влияют на хрупкую прочность материалов. Качествен­ ный анализ имеющихся данных о разрушениях материалов дает основание полагать, что чрезмерное насыщение их энергосодержанием в связи с упругим Изменением объема при малом изменении формы способствует утрате сплошности деформированных материалов из-за

27

неустойчивости связей материальных частиц. Это предположение поддерживает сложившееся в последние годы у специалистов мне­ ние о том, что в условиях объемного растяжения материалы хуже работают на отрыв, чем при линейном (осевом) растяжении [43], [52].

§8

Предельные состояния, связанные

собъемностью напряжений

ис реологической характеристикой

Экспериментальные значения предельных на­ пряжений материалов устанавливаются в простейшем случае осевого растяжения как сопротивление отрыву или предел текучести. Со­ противление отрыву 0отр представляет собой разрушающее напря­ жение в случае излома по поперечному сечению. Для такого излома характерна кристаллическая поверхность блестящего вида. Разру­ шению с отрывом предшествует некоторая пластическая деформация, иногда настолько малая, что не обнаруживается измерительным инструментом. По высказываниям Н. Н. Давиденкова, сопротивле­ ние отрыву при полном отсутствии пластической деформации можно назвать хрупкой прочностью.

Определение предела текучести общеизвестно и не требует разъяснения.

Вслучае объемного растяжения, по условию пластичности OiV =

=от. Интересно знать, при каких значениях главных напряжений, прежде всего при каком 0!, наступает текучесть материала. Из фор­ мулы (12) можно записать:

0[ = Y_i_Giv-

4

Подставляя вместо aIV его значение, равное аг (по условию пластичности), находим наибольшее главное напряжение, соответ­ ствующее первичной пластической деформации:

превышает предел текучести осевого растяжения. Сближение значе­ ний 01т и 0отр отрицательно сказывается на способности материалов деформироваться пластически, что практически возможно. Поэтому испытание гладких образцов на осевое растяжение нельзя считать средством исчерпывающего исследования пластичности и прочности. Целесообразно испытывать образцы, возбуждая напряженные со­

стояния, для которых параметры у i и у 8 были бы больше еди-

т т

ницы.

Использование в расчете безразмерного параметра напряженного

состояния у 1 возможно лишь при наличии соответствующей экспе-

т

риментальной характеристики. Поэтому для составления условий

28

течения или отрыва материала вводим безразмерную реологическую характеристику

Если принять по условию пластичности (TIV = aT и сократить на этом основании знаменатели в формуле (16), то получим условие

§9

Предельные напряжения при пластической деформации и хрупком разрушении

Для определения сопротивления пластическому деформированию и хрупкому разрушению наиболее распростра­ ненным экспериментом служит испытание на осевое растяжение гладкого образца. Пластическая деформация образца до образования шейки по внешним признакам кажется равномерной по объему, с участием в процессе деформирования всех кристаллических зерен, составляющих материал образца. На основании этого сопротивление

29