книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основу современных методов расчета деталей машин на прочность составляют, с одной стороны, методы расчета напряженно-деформированного состоя­ ния, с другой — методы определения предельного состояния материала с учетом многообразия факторов, влияющих на напряжения, определяющие это предельное состояние. Второму из этих направлений в литературе уделяется гораздо меньшее внимание.

Во многих работах, в первую очередь в справочниках и справочных пособиях по сопротивлению материалов, широко использующихся при расчетах на прочность и жесткость деталей машин и конструкций, в качестве характеристик сопротивления материалов разрушению используются такие простейшие характеристики, как пре­ дел текучести и предел прочности материала, которые не отображают’всего много­ образия факторов, влияющих на сопротивление материалов деформированию и раз­ рушению.

Внастоящее время рассмотрение сопротивления материалов деформированию

иразрушению должно основываться на учете следующих групп факторов.

Во-первых, необходимо учитывать многообразие механизмов деформирования и разрушения материалов, реализуемых в процессеэксплуатации машин и приводя­ щих к различным условиям предельного состояния (разрушения) и различным напря­ жениям, определяющим это предельное состояние. В качестве примера таких меха­ низмов можно назвать активное пластическое деформирование, ползучесть, в том числе циклическую, мало- и многоцикловую усталость, термическую усталость, коррозионное растрескивание, износ, фреттинг-коррозию, эрозию и т. д. Следует учитывать существенную зависимость характеристик, определяющих предельное состояние при реализации всех этих механизмов, от длительности (в часах и цик­

пластичными материалами и сплавами испол ьзуются полимерные и компознционныматериалы, тугоплавкие металлы и сплавы, керамические материалы, твердые сплае вы и другие, которые специфичны по своей структуре и поведению под нагрузкой.

В-третьих, необходимо учитывать такие особенности реальных материалов, как рассеяние свойств, наличие технологических и эксплуатационных дефектов, неста­ бильность в процессе длительной эксплуатации, особенно в условиях радиационного и другого охрупчивания, особое состояние поверхностного елоя материала и т. п.

Без комплексного рассмотрения сопротивления материалов деформированию и разрушению нельзя решать задачи проектирования, выбора материалов, прогно­ зирования ресурса машин и конструкций. В то же в^емя в литературе отсутствует систематизированное изложение этой проблемы с учетом всего многообразия фак. торов, имеющих место при этом. Данное справочное пособие, очевидно, является первой попыткой такого систематизированного изложения.

Справочное пособие состоит из трех разделов. В первом разделе рассмотрены напряжения и деформации как основа количественного описания сопротивления материалов деформированию и разрушению; общие свойства конструкционных мате­ риалов, используемых в технике, и дается анализ условий нагружения и типичных разрушений, встречающихся в практике.

Во втором разделе основное внимание уделено роли в разрушении материалов таких факторов, как рассеяние свойств и нагруженности материала, наличие техно­ логических и эксплуатационных дефектов, состояние поверхности, изменение свойств материала в процессе эксплуатации. Именно эти факторы, которые могут быть на­ званы несовершенствами реальных материалов, в наименьшей степени учитываются в расчетах на прочность и в то же время в наибольшей степени являются причиной конкретных разрушений, наблюдающихся в технике.

В третьем разделе рассмотрены уравнения состояния и модели разрушения материалов при различных режимах и длительностях нагружения. Именно режим нагружения и его интенсивность, длительность приложения нагрузки в совокуп­ ности с температурой и напряженно-деформированным состоянием определяют про­ цессы, приводящие к тому или иному виду разрушения рассматриваемого материала, следовательно, и характеристикам сопротивления материалов деформированию и разрушению.

Авторы отдают себе отчет, что исчерпывающее изложение всей совокупности вопросов сопротивления материалов деформированию и разрушению — весьма сложная задача. Тем не менее такая попытка необходима, поскольку без детального рассмотрения сопротивления материалов деформированию и разрушению с учетом всех факторов, влияющих на это сопротивление, невозможно обеспечить основной принцип оптимального проектирования по критериям прочности, состоящий в обес­ печении соответствия реальной напряженности детали реальной способности мате­ риала этой детали сопротивляться разрушению с учетом всей совокупности техноло­ гических, конструкционных и эксплуатационных факторов.

В справочном пособии затронут широкий круг вопросов, по кото­ рым имеется многочисленная и многоплановая литература. Это требует уточнения понятий и обоснования принятой систематизации излагаемого материала.

Разрушение и деформирование материалов определяются различными процес­ сами, развивающимися при нагружении и зависящими прежде всего от свойств мате­ риала, режима и интенсивности нагружения, длительности приложения нагрузки, температуры и напряженно-деформированного состояния в локальных объемах. Мож­ но выделить следующие основные процессы на макроскопическом уровне, приво­ дящие к разрушению.

Активное пластическое деформирование. Процесс реализуется в условиях непре­ рывного увеличения нагрузки и приводит к исчерпанию пластичности и разрушению. При реализации этого процесса при растяжении пластичных материалов * можно наблюдать явно выраженную шейку.

Характеристики свойств материалов при пластическом деформировании опре­ деляются по диаграмме деформирования при растяжении в координатах напряжение о — относительная деформация г (рис. 1, а).,Кривые 1, 2 получены для пластичных материалов, кривая 3 — для хрупких. Основными характеристиками являются предел прочности о^, предел текучести сгт и удлинение при разрушении ô. Площадь такой диаграммы характеризует энергию разрушения. Характер диаграмм деформи­

рования зависит от скорости деформирования е. Остаточное удлинение при разру* шении ô,. как правило, уменьшается при увеличении скорости деформирования и понижении температуры. Особенно существенно эта закономерность проявляется при наличии концентраторов напряжений и трещин, в вершине которых формирует­ ся определенное напряженно-деформированное состояние.

Зависимость остаточного удлинения, а следовательно, и работы разрушения, от температуры используется для определения такой практически важной характе­ ристикиметалла, как критическая температура (интервал температур) перехода в хрупкое состояние. Обычно критическая температура хрупкости Тх определяется по результатам построения температурной зависимости ударной вязкости ан, рав­ ной отношению энергии разрушения при ударном нагружении к площади попереч­ ного сечения образца в зоне концентратора напряжений (рис. 1. б). Заштрихован­ ная часть — область перехода от хрупкого к вязкому разрушению.

Развитие пластических деформаций в металлах существенно ограничивается при наличии трещин. В этом случае пластичные материалы могут разрушиться хрунко даже при медленном увеличении нагрузки.

На рис. 1, в показана зависимость между усилием Р, прикладываемым к об­ разцу с трещиной, и раскрытием берегов трещины v для условий, когда реализуется полностью хрупкое разрушение (кривая 1) и когда разрушению предшествует зна­ чительное пластическое деформирование материала в вершине трещины (кривая 2).

Хрупкое разрушение — это разрушение при небольшой, как правило, упругой деформации, при котором полное разрушение реализуется за счет потенциальной

1 Следует учитывать, что пластичность определяется не только свойствами материала, но и условиями испытания.

Рис. 1. Зависимости, характеризующие предельное состояние материалов при ста* тическом и ударном нагружении:

индексы «н» н «в» соответствуют нижней и верхней температурам хрупкости

энергии, накопленной в образце к моменту начала разрушения без дополнительного увеличения нагрузки или за счет внешней нагрузки.

Специфичные виды хрупкого разрушения — это локальные разрушения, при­ водящие к возникновению трещин в зонах с повышенным содержанием водорода, растягивающих остаточных напряжений, возникающих при термической обработке, коррозионных эффектов и т. п.

Для материалов, которые хрупко разрушаются при обычных условиях испы­ таний, зависимость между напряжениями и деформациями показана на рис. 1, а з виде кривой 3. При наличии трещин зависимость между усилием и раскрытием бе­ регов трещины при хрупком разрушении имеет вид, показанный на рис. 1, в в виде кривой 1. Обработка таких зависимостей позволяет определить критическое зна­ чение коэффициента интенсивности напряжений /С1с — сравнительно новую харак­

теристику свойств материала, определяющую условия хрупкого разрушения при наличии трещин. Определение этой характеристики дано в главе I.

Ползучесть. Под ползучестью понимается непрерывный процесс пластического деформирования материала при воздействии постоянной нагрузки (или напряжения). Особенно интенсивно развивается ползучесть в условиях высоких температур, хотя установлено, что она имеет также место в условиях комнатной или низких температур. Ползучесть имеет место и в условиях циклического нагружения (циклическая пол­ зучесть) при постоянном размахе напряжений. Окончательное разрушение при пол­ зучести происходит в результате исчерпания пластичности и образования шейки или распространения трещины, возникшей в результате ползучести (при высоких температурах).

Процесс ползучести характеризуется кривыми ползучести, которые строятся при статическом приложении нагрузки в координатах деформация е — время нагру­ жения t для различных напряжений о или в случае циклического нагружения в ко­

следней (е = de/df). В качестве характеристики способности материала сопротивля­ ться ползучести принимается предел ползучести, характеризуемый максимальными напряжениями, при которых скорость ползучести или деформация за определен­ ный промежуток времени при данной температуре не превышает определенного за­

данного значения (<т^, а ^ ) .

По результатам испытаний в условиях длительного статического нагружения строятся кривые длительной прочности в координатах напряжение а — время до

Рис. 2. Развитие процессов деформирования и износа во времени для различных'случзев нагружения

Рис. 3. Зависимость предельных напряжений и деформаций от времени и числа цик­ лов до разрушения

разрушения t (рис. 3, а). Время до разрушения будет существенно зависеть от тем­ пературы.' Напряжение, соответствующее определенному времени до разрушения при заданной температуре, называется пределом длительной прочности при задан­

ном времени испытаний в часах (of).

Для деталей, эксплуатирующихся в условиях ползучести, важно учитывать н релаксацию напряжений, приводящую к перераспределению упругих и пластиче­ ских деформаций и в результате — к снижению упругих напряжении в деталях.

Усталость. Под усталостью подразумевается процесс постепенного накопления повреждений в материале при повторно-переменном нагружении, приводящий к воз­ никновению усталостной трещины, ее развитию и окончательному разрушению. При таком разрушении в изломе можно различить зоны развития усталостной тре­ щины и окончательного долома. Различают многоцикловую усталость, т. е. усталость при напряжениях, значительно ниже предела текучести, и большом числе циклов нагружения до разрушения, при котором геометрические размеры сечения практи­ чески не изменяются, и малоцикловую усталость, когда напряжения равны или вы­ ше предела текучести и усталостное разрушение сопровождается формоизменением образца. Особым случаем малоцикловой усталости является термическая усталость, т. е. усталость в условиях действия переменных напряжений, инициированных из­ менениями температуры.

Результаты испытаний при циклическом нагружении (До = const) предсташлены в виде кривых выносливости (рис. 3, б), где по вертикальной оси откладывается максимальное напряжение за цикл, или его амплитуда, а по горизонтальной — чис­ ло циклов до разрушения. На рис. 3, б участок I соответствует квазистатическому разрушению вследствие циклической ползучести, участок II — малоцикловой усталости и III — многоцикловой усталости. Характеристикой способности материа­ ла сопротивляться разрушению в условиях многоциклового нагружения является предел выносливости о^, равный максимальным напряжениям, при действии которых

разрушение не произойдет при сколь угодно большом числе циклов нагружения.

также подходы, учитывающие окислительные, абразивные и адгезионные процессы. Изменение износа во времени обычно представляется кривыми, показанными на рис. 2, б, где по вертикальной оси откладывается линейный износ и*, характеризу­ емый изменением размера поверхности, измеренным в направлении, перпендикуляр­ ном к поверхности трения, а по горизонтальной — время t. Стадия / на этих кри­ вых соответствует приработке, стадия II — установившемуся износу, стадия III — катастрофическому износу. Износ увеличивается с увеличением давления (напряже­ ния) на поверхности трения р и скорости относительного скольжения.

В практике часто имеет место взаимодействие различных процессов разрушения. Например, взаимодействие многоцикловой усталости и фреттинга (фреттинг — уста­ лость), ползучести и усталости и т. д. Уравнения, связывающие характеристики внеш­ него воздействия (нагрузка, температура, облучение и т. п.) с деформациями или другими характеристиками состояния материала, в том числе с учетом скорос­ ти, длительности и цикличности нагружения, могут быть названы уравнениями состояния материала.

Уравнения состояния могут быть использованы как для анализа процессов по­ вреждения материалов, так и для расчета напряженно-деформированного состояния

Простейшими примерами уравнений состояния являются зависимости между напряжениями и деформациями, например закон Гука, кривые ползучести и т. п, В табл. 1 по литературным данным приведены примеры разрушений различных деталей и конструкций в реальных условиях эксплуатации (сгв — предел прочности соответствующих материалов). Важно отметить, что механизм активного пластиче­ ского деформирования, при котором определяются предел текучести и предел проч­ ности, которые в настоящее время являются основными характеристиками в расче­ тах на прочность, ни в одном из рассмотренных в табл. 1 случаев разрушения не ре­ ализован. Во всех случаях ^определяющими были процессы, развивающиеся во вре­ мени и усугубленные наличием коррозии, технологических дефектов и т. п. Это еще раз свидетельствует о том, что первостепенное значение при обеспечении прочности машин и сооружений приобретает учет действительных характеристик сопротивле­ ния материалов деформированию и разрушению с учетом всего комплекса факторов, имеющих место в реальных условиях. Важным в этом случае является формулирова­

ние моделей разрушения.

Модель разрушения представляет собой совокупность условий достижения пре­ дельного состояния материала, выраженных в аналитическом виде. Модель разру­ шения (достижение предельного состояния) может считаться эффективной лишь в том случае, если она дает возможность достоверно описать условия разрушения материала с учетом основных факторов (напряженное состояние, температура-, дли­ тельность и режим нагружения и т. п.) и позволяет прогнозировать характеристики предельного состояния материала с учетом влияния основных факторов с исполь­ зованием ограниченных экспериментальных данных.-

Большие сложности возникают при распространении моделей разрушения, сформулированных, как правило, по результатам испытания лабораторных образцов, на реальные конструктивные элементы, которые эксплуатируются при более сложных режимах нагружения и напряженно-деформированное состояние которых может существенно отличаться от напряженно-деформированибго состояния лабораторных образцов. К сожалению, универсальных моделей предельного состояния материалов, даже применительно к отдельным видам разрушения (таким часто встречающимся

существует, что объясняется сложностью процессов разрушения и их зависимостью от совокупности различных физических факторов, лежащих в основе разрушения, которые трудно поддаются учету. Отсутствие таких моделей— главный тормоз совер­ шенствования методов расчета на прочность и сокращения эксперименталь­ ных, в том числе стендовых, исследований по обоснованию надежности и ресурсе машин.