книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

Температурные

напряжения

и малоцикловая

усталость

ОТ РЕДАКТОРА

Предлагаемая книга написана крупным специалистом по тер­ мопрочности С. Мэнсоном, возглавляющим работы в области прочности материалов и конструкций в исследовательском центре Национальной Аэрокосмической Администрации США

вг. Кливленде.

Вкниге рассмотрены вопросы определения температурных напряжений при упругом и упругопластическом деформировании с учетом ползучести. Существенное внимание уделено сопротивле­ нию, циклическому деформированию и разрушению при нормаль­ ных и повышенных температурах и основным закономерностям малоцикловой усталости. Автор рассматривает вопросы цикличе­ ской термопластичности, обобщая решения, полученные для упру­ гопластического однократного деформирования. Большое вни­ мание уделено термопрочности пластичных и хрупких материалов. Подробно рассмотрена термическая усталость и тепловой удар,

причем с достаточно общих позиций, что позволило автору дать оценку прочности элементов конструкций. Книга завершается подробными и обоснованными рекомендациями по выбору мате­ риалов, конструктивных форм и оптимальных условий эксплуа­ тации элементов конструкций в условиях теплосмен.

Как видно из простого перечисления изложенных в книге вопросов, она охватывает широкий и достаточно полный круг задач, возникающих при расчете на термическую прочность. Комплексный подход к проблеме составляет одну из важных отличительных особенностей книги. Второй важной ее особен­ ностью является очень простое и ясное изложение материала. Книга снабжена множеством примеров и детальных разъяснений, в ней отчетливо проявляется инженерный подход автора к реше­ нию вопросов термопрочиости.

Таким образом, книга С. Мэнсона полезна научным работ­ никам и инженерам, работающим в области конструирования и расчета на прочность в современных отраслях промышленности, авиастроения, ракетостроения, атомной техники, энергомаши­ ностроения и т. д.

Автор ограничился изложением анализа главным образом своих работ и работ, описанных в американской и английской научной литературе. Вместе с тем, в Советском Союзе проведены важные исследования в области термоупругости, термопластич­ ности, термопрочности и малоцикловой усталости, результаты которых существенны для решения соответствующих задач. Эти исследования нашли отражение в большом количестве статей, десятках ^монографий, в систематически проводимых совеща­ ниях по тепловым напряжениям в элементах конструкций, термопрочности, прочности двигателей, малоцикловой усталости и т. д. Некоторые из монографий приведены ниже.

ВВЕДЕНИЕ

0.1. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Наличие в теле температурных градиентов приводит к различ­ ным температурным удлинениям его элементов. Поскольку сплош­ ность тела не должна нарушаться, в нем появляется система температурных деформаций и соответствующих им температурных напряжений, зависящая от формы тела и распределения темпе­ ратуры. Температурные напряжения могут возникать за счет внешних связей, препятствующих свободному расширению, когда тем­ пературный градиент отсутствует.

Они возникают также в тех слу­ чаях, когда конструкция состоит из деталей, изготовленных из несколь­ ких материалов, имеющих разные коэффициенты линейного расшире­

кают при постоянной температуре в связи со взаимным стес­ нением двух металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения. Чезуик отмечает, что некоторые виды урановых стержней во время циклического изменения темпера­ туры претерпевают «рост» и значительное искривление [11. Этот эффект связан с микронапряжениями, возникающими за счет анизотропии структуры, приводящей к неоднородному расшире­ нию в отдельных областях стержня.

50° С. Ясно видны увеличения длины, искривление и неровности на поверхности.

Изменение температуры (например, окружающей среды или внутреннего источника, электрического или ядерного) может

нерном анализе, они, к сожалению, не обеспечивают достаточных сведений для окончательной оценки прочности пластичных мате­ риалов. В этом случае важно учитывать не только влияние пласти­ ческих деформаций, которые появляются, когда превышается предел текучести, но и рассматривать, каким образом они могут изменяться при действии циклических напряжений (температур­ ных и механических). По этому вопросу имеется относительно не­ большая информация, но последние работы вносят свой вклад в по­ нимание проблемы. Появляются новые методы расчета, которые учитывают такие неупругие эффекты, как ползучесть и пластиче­ ское деформирование, делаются попытки учета циклических эффектов при проведении расчетов и интерпретации механических свойств материалов.

Такова в настоящее время в общих чертах трактовка задач упругости, неупругости, циклического деформирования, рассмат­ риваемых применительно к температурной напряженности. В книге каждый вопрос рассмотрен в отдельной главе. Применение некото­ рых результатов этих исследований к тепловому удару для хрупких и пластичных материалов также обсуждается в отдельной главе.

Интерпретация аналитически или экспериментально опреде­ ленных температурных напряжений и деформаций применительно к расчетам на прочность должна исходить из условий работы эле­ мента конструкции и зависит от знания свойств материала в рабо­ чей среде. Критерий разрушения хрупких материалов, например, отличен от критерия разрушения пластичных материалов.

С инженерной точки зрения проблема заключается в определе­ нии допускаемых напряжений, зависящих от предполагаемых условий работы, методов определения и свойств материала, а также в определенной степени от предполагаемого уровня напряжений или деформаций. В соответствии с этим экспериментальные данные о свойствах материалов, интересующих современную тех­ нику, представляют большой интерес, и краткий обзор таких свойств включен в одну из последних глав этой книги.

Прочность конкретной конструкции оценивается на основании расчетов или измерений напряжений и деформаций, вместе с тем ряд решений конструктор должен принять до проведения расчета или эксперимента. Это в основном относится к предварительной •'стадии проектирования, когда «почувствовать» хорошую конструк­ цию более важно, чем выполнить детальный расчет. Поэтому об­ суждение факторов, которые способствуют длительной и без­ аварийной работе конструкций, подверженных действию темпе­ ратурных напряжений, может быть весьма полезным. Забота об исключении нежелательных эффектов на начальной стадии кон­ струирования может оказаться более полезной, чем последующий расчет, который будет лишь сводить к минимуму их влияние. Поэтому в книгу включена глава, в которой дан анализ некоторых особенностей работы реальных конструкций, подверженных тем­ пературным напряжениям.

Книга посвящена главным образом анализу температурных напряжений, однако значительное внимание: уделено также общей проблеме усталости от действия либо термической, либо механи­ ческой нагрузки.

В процессе разработки методов расчета на прочность от дей­ ствия температурных напряжений стало ясно, что соотношения, обычно используемые для оценки усталостной долговечности в условиях механического нагружения, требуют развития для оценки долговечности при термическом нагружении. Область относительно малых долговечностей — или область малоцикловой усталости — еще недостаточно исследована, но она очень важна в практических задачах, касающихся температурных напряжений.

Соотношение между долговечностью и пластической деформа­ цией за цикл впервые предложеноавтором [4] на основе не­ многочисленных имевшихся в то время данных. Это соотношение позднее подтверждено Коффином [2, 3] не только для случая термической усталости, но и для случая циклического деформи­ рования при действии механической нагрузки. Эта зависимость и ее соответствие эксперименту рассмотрены в гл. 3. В малоцикловой области при долговечности менее 104 циклов основным параме­ тром, определяющим долговечность, оказывается пластическая деформация за цикл, измеряемая в макроскопическом масштабе. Для более высоких долговечностей упругая деформация также играет важную роль, но определяющей переменной величиной является все же пластическая деформация за цикл.

Пластическая деформация сильно локализована около дефек­ тов структуры, в связи с чем ее трудно подсчитать или измерить. При долговечности более 104 циклов принято рассматривать пол­ ную деформацию — упругую плюс пластическую — как основную переменную. Однако долговечность можно рассматривать непо­ средственно как функцию размаха напряжений. Вытекающее отсюда простое соотношение между долговечностью и размахом напряжений оказывается справедливым для большинства испы­ танных материалов в большом диапазоне долговечностей, меньше и больше 10* циклов. В большинстве температурных задач легче определить размах деформаций, чем размах напряжений, поэтому для практических целей желательно выражать долговечность в значениях размаха полной деформации. Соответствующее соот­ ношение для случаев термической и механической нагрузки рас­ смотрено в гл. 3. Хотя вначале предполагалось использование этого соотношения лишь для малоцикловой области и для области промежуточной долговечности (103— 105 циклов), оказалось воз­ можным его применение в высокоцикловой области (^10® циклов). При более высокой долговечности это соотношение необходимо откорректировать с учетом предела выносливости; такая модифи­ кация в'общих чертах рассмотрена в гл. 3.