Особенности деформации поликристаллических тел.

При воздействии внешней силовой нагрузки на поликристаллические те­ла, к которым относятся практически все детали СТС и корпус судна, карти­на деформации усложняется.

Во-первых, существующие в любом поликристалле границы зерен, явля­ясь двумерными дефектами кристаллического строения (см. рис. 2.8), иска­жают кристаллическую решетку и создают препятствия для скольжения дис­локаций. Таким образом, мелкозернистый материал с большей суммарной площадью границ будет иметь более высокую прочность, чем крупнозерни­стый (при одном объеме). Связь между пределом текучести и размером зерен можно выразить уравнением Холла-Петча:

где к - экспериментально определяемый коэффициент, / - размер зерна.

Во-вторых, уже в ходе кристаллизации (процессе образования кристал­лов из газообразной, жидкой или твердой фазы) обычно возникает произ­вольная ориентация кристаллов. Это является причиной разориентации - не­совпадение между линией действия внешней нагрузки и направлением наи­большей прочности для отдельных кристаллов может достигать 90° (рис. 2.19).

Это означает, что эти кристаллы оказываются в невыгодном положе­нии и под действием возрастающей нагрузки Р они начинают либо разру­шаться (зерно со сплошной заливкой), образуя более мелкие зерна, либо де­формироваться и разворачиваться таким образом, чтобы угол рассогласова­ния стал меньше (точечная заливка). В материале появляется преимущест­венная ориентация в расположении зерен (так называемая текстура) и вызы­ваемая ей зависимость свойств от направления в материале – анизотропия.

Пластическая деформация, сопровождающаяся возрастанием плотности дефектов (увеличение поверхности межзеренньгх границ в мелкозернистой структуре, дислокации и пр.) и увеличению избыточной свободной энергии, приводит к упрочнению материала - наклепу (рис. 2.19). Это обстоятельство часто используют для повышения конструкционной прочности материала детали. Примерами могут служить прокатка на металлургических заводах стальных листов для изготовления корпуса судна, ковка коленчатых, валов и шатунов судовых дизелей и т.п.

В то же время, учитывая одновременное снижение пластичности мате­риала, при проведении упрочняющей обработки следует добиваться компро­мисса - оптимального сочетания показателей прочности и пластичности, оп­ределяемого условиями эксплуатации.

Деформации и разрушение корпуса судна и деталей стс

В принципе изложенный ранее механизм деформации и разрушения мо­нокристалла и реальных судовых деталей идентичен. Однако изложенная выше схема будет иметь следующие особенности.

А. Корпус судна и реальные детали СТС являются поликристалличе­скими телами с высокой плотностью различных дефектов кристаллического строения (см. п. 2.2.3). Это приводит к тому, что процессы перемещения дис­локаций происходят одновременно в большом числе зерен в разных направ­лениях. Кроме того, наличие дефектов вызывает искажения кристаллической решетки и плоскостей скольжения и затрудняет перемещение по ним дисло­каций. В результате усилие, необходимое для деформации и разрушения по­ликристаллического материала, возрастает.

Б. Корпус судна и реальные детали СТС имеют концентраторы напря­жений - места, в которых уровень механических напряжений (МПа) выше, чем в среднем по детали: места сварки набора корпуса, наличие в детали резьбы для присоединения других деталей, отверстия для подвода смазки, переходы от цилиндрической поверхности шейки коленчатого вала к пло­ской поверхности щеки, микронеровность поверхности и т.п.

В принципе, все перечисленные концентраторы можно привести к двум расчетным схемам: трещина в объеме материала детали и полутрещина на поверхности длиною l с радиусом скругления при вершине r (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Распределение растягивающих напряжений по сечению детали с трещинами разных параметров на поверхности и в объеме детали

Их негативное влияние на прочность детали проявляется в 2-х аспектах. Во-первых, наличие трещины уменьшает оставшееся, т.н. "живое" сечение детали, из-за чего увеличиваются средние напряжения по сечению:

Где номинальные напряжения в сечении детали площадью F без концентраторов напряжений под действием нагрузки Р.

Анализ приведенной формулы показывает, что напряжения в месте концентрации могут в десятки и сотни раз превышать номинальные значения при . Если будет выполнено условие:

То трещина начнет «раскрываться» - увеличиваться в размерах. Это, естественно, приведет к уменьшению общего сечения детали, резкому возрастанию в ней средних напряжений и ее быстрому разрушению. Результатом такого негативного развития событий может стать внезапный отказ СТС (авария) с возможными людскими жертвами.

Описанные выше изменения строения материала в микрообъемах в дальнейшем могут перейти в нежелательные макроизменения: гофрированию листов обшивки корпуса (образованию "складок"), его "растяжке", образова­нию вмятин, изменению формы деталей СТС и т.п.

Именно поэтому важнейшей задачей проводимых судовыми механиками ППО и ППР (планово-предупредительных осмотров и ремонтов) является своевременное обнаружение таких изменений, особенно трещин, в корпусе судна и ответственных деталях СТС и принятие мер по их устранению или предотвращению развития. Для этого концы трещины засверливают сверлом диаметром 8... 10 мм, что позволяет резко снизить концентрацию напряже­ний.

К этой же категории средств защиты от распространения трещин принад­лежит используемый при постройке корпуса судна принцип создания т.н. "барьерных" швов.