книги из ГПНТБ / Махутов Н.А. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению

Н. А. МАХУТОВ

СОПРОТИВЛЕНИЕ

ЭЛЕМЕНТОВ

КОНСТРУКЦИЙ

ХРУПКОМУ

РАЗРУШЕНИЮ

М о с к в а «МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1973

М 36 УДК 621.81.539.4:539.56

•77 *5 -7

Махутов Н. А. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. М., «Маши­ ностроение», 1973. 200 с.

В книге рассмотрены методы определения ха­ рактеристик хрупкого разрушения, основанные на анализе напряженного п деформированного со­ стояния детали в зоне расположения трещин. Ос­ вещены методы измерении напряжений и дефор­ маций при испытаниях лабораторных образцов и деталей машин. Изложены методы определения критических температур, разрушающих напряже­ ний п запасов прочности элементов конструкции.

Книга предназначена для инженеров-конст­ рукторов и расчетчиков машиностроительных про- ектно-конструкторских и научно-исследователь­ ских организаций. Ил. 56, список лит. 97 назв. Р е ц е н з е н т канд. техн. наук В. М. Филатов

3133—010 М 038(01)—73 10—73

Издательство «Машиностроение», 1973

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ф— относительное сужение площади поперечного сечения в %;

3

в мм;

v„— измеряемое в опытах перемещение краев тре­ щины в мм;

5

ВВЕДЕНИЕ

Расчеты прочности деталей машин и элементов конструкций при однократном (статическом или динамическом) нагружении основаны на номиналь­

отражают влияние на характеристики разрушения деталей основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, а их величины на­ значаются с учетом практики эксплуатации.

Такая оценка несущей способности деталей ма­ шин и элементов конструкций оказывается доста­ точно обоснованной, если в процессе эксплуатации исключаются условия возникновения хрупких со­ стояний. В вязких состояниях в деталях сложных конструктивных форм под действием эксплуатаци­ онных нагрузок в зонах концентрации происходит перераспределение напряжений за счет образую­ щихся пластических деформаций, и номинальные разрушающие напряжения оказываются на уровне предела текучести или превышают его.

Однако при наличии в деталях машин и элемен-; тах конструкций начальных металлургических и1 технологических дефектов (трещины, поры, включе­ ния, расслоения, иепровары), а также при образо-

6

вании в них трещин по мере накопления эксплуа­ тационных повреждений (циклических, коррозион­ ных, радиационных, от деформационного старе­ ния), как показывают многочисленные наблюдения и опыты, разрушающие напряжения могут оказать­ ся существенно (в 1,5—4 раза) ниже предела теку­ чести. Наиболее низкие уровни номинальных на­ пряжений получаются при хрупких разрушениях толстостенных сварных конструкций, изготовляемых из низкоуглеродистых и низколегированных хладно­ ломких сталей (при статическом и импульсном нагружении). При наличии дефектов в хрупких со­ стояниях понижение разрушающих напряжений, отнесенных к пределу прочности (или к пре­ делу текучести), указывает на необходимость обос­ нованного подхода к назначению запасов прочно­ сти для деталей, изготовляемых из сталей повышен­ ной и высокой прочности, находящих все большее применение.

хрупкому разрушению в настоящее время нормиро­ ванным расчетом не определяют. Это в значитель­ ной степени связано с отсутствием общепринятых стандартизованных методов испытаний с целью оп­ ределения соответствующих критериальных харак­ теристик разрушения и систематических экспери­ ментальных данных о закономерностях изменения этих характеристик в связи.с конструктивными, тех­ нологическими и эксплуатационными факторами.

Повышение сопротивления хрупкому разрушению достигается выбором соответствующих конструкци­ онных материалов и технологии изготовления, при­ менением многократной термической обработки, по­ вышением требований дефектоскопического конт-

7

вязкость не является расчетным параметром при количественной оценке прочности деталей машин и элементов конструкций в связи с условиями кон­ струирования и эксплуатации. Использование кри­ тических температур хрупкости, устанавливаемых по данным испытаний стандартных ударных образ­ цов, для оценки области температур безопасной эк­ сплуатации оказывается недостаточным при широ­ ком варьировании уровня дефектности конструкций, их номинальной напряженности, скоростей дефор­ мирования и толщин стенок.

В связи с изложенным в последние годы для анализа сопротивления элементов конструкций хрупкому разрушению широкое применение нахо­ дят энергетические, силовые и деформационные критерии, основанные на рассмотрении напряжен­ ного и деформированного состояния в зонах воз­ никновения, распространения и остановки трещин. Количественная оценка номинальных разрушаю­ щих напряжений, не превышающих предела теку­

Линейная механика разрушения, основанная на применении энергетических (плотность поверхност­ ной энергии y« и энергии продвижения трещины Gfc), силовых (критические значения коэффициен­ тов интенсивности напряжения Kic, модуля сцепле­ ния k) и деформационных (раскрытие в вершине трещины 6,() критериев разрушения, позволяет по-

8

лучить значения разрушающих нагрузок с учетом указанных факторов в упругой постановке.

Развитие основных положений механики разру­ шения, в особенности деформационных критериев, явилось основой инженерных расчетов разрушаю­ щих напряжений для элементов конструкций, из­ готовляемых из сталей, обладающих незначитель­ ным упрочнением в упруго-пластической области. Такие расчеты выполнены применительно к пласти­ нам и тонкостенным сосудам, нагружаемым внут­ ренним давлением.

Оценка несущей способности элементов конст­ рукций с трещинами на базе механики разрушения (в линейной и нелинейной постановке) основыва­ ется на решении соответствующих задач теории упругости или пластичности и на результатах эк­ спериментального исследования критериев разру­ шения на лабораторных образцах, содержащих предварительно созданные трещины.

Использование механики разрушения оказыва­ ется наиболее эффективным в случае применения высокопрочных малопластичных сталей и сплавов, обладающих весьма малым упрочнением в неупру­ гой области, незначительной чувствительностью к скорости деформирования и температуре. Примени­ тельно к мягким конструкционным сталям (с пре­

-т-70%), отношение предела прочности к пределу текучести (до 2—2,5) и чувствительность к скоро­ сти деформирования и температуре, использование механики разрушения связано с определенными трудностями, заключающимися в значительной за­ висимости величин 'Gic, Kjc и б Л от условий дефор­ мирования и разрушения. Кроме того, при номи­ нальных разрушающих напряжениях, превышаю-

9