книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

К ге :, М П й'У н

о

S ’

Рис. 1.80. Зависимость /CQ (а) »Klc (б) от толщины образца для стали 15Х2НМФА:

1 — ЦЬ = 0,5; 2 — ф = 0,75

где А — площадь между экспериментально построенной кривой и секущей, прове­ денной из начала координат через рассматриваемую точку на экспериментальной кривой.

При определении /-интеграла наиболее сложной задачей является точное из­ мерение перемещения точки приложения нагрузки [121].

Критическая величина / 1с, которая является характеристикой трещиностой-

кости, определяется по /-интегралу, соответствующему моменту страгивания тре­ щины. Этот заключительный этап наиболее трудоемкий. Регистрировать момент стра­ гивания трещины можно акустическим методом, ультразвуком, методом электропо­ тенциала, определением собственной частоты колебаний образца в процессе нагру­

цов, выполнено в работах [57, 58]. Результаты этих исследований представлены на рис. 1.80, где приведена зависимость величин KQ, найденных по описанной выше

методике для образцов разных размеров по результатам испытаний при изгибе. Для образцов всех исследованных размеров условия плоской деформации в соответствии

е уравнением (1.240) не выдерживались. В связи с этим зависимость Kq — V t имеет анамальный вид (величина Kq увеличивается с увеличением толщины) и величина Кq не остается постоянной.

В то же время, как это следует из рис. 1.80, б, расчет величин /С1с по уравнению

(1.253) по значениям /-интеграла, найденным при соблюдении условия (1.251) при а = 25, дал значения R Jc, практически не зависящие от толщины исследуемых об­

разцов.

В работах [57, 58] отмечается сложность фиксации момента страгивання тре­ щины при определении /-интеграла, что влияет на корректность определения этой величины.

Несмотря на существование различных критериев механики разрушения (си­ ловые, деформационные, энергетические) и не полное соответствие силовых крите­ риев экспериментальным данным, тем не менее при определении предельного со­ стояния тел с трещинами, особенно при циклическом нагружении, наибольшее прак­ тическое использование получили силовые критерии, что объясняется, прежде все­ го, возможностью расчета этих критериев для тел сложной формы с использованием такой традиционной характеристики, как напряжения. Для устранения имеющего место в ряде случаев несоответствия расчетных и экспериментальных данных ис­ пользуются результаты дополнительных исследований.

Выше рассмотрены характеристики вязкости разрушения при медленном ста­ тическом нагружении. Имеющиеся литературные данные показывают, что характе­ ристики вязкости разрушения зависят от скорости нагружения [128, 201]. При на­ гружении с большой скоростью для некоторых материалов характеристики вязкос­

разца для внецентренного растяжения вставляется клин, к которому приклады­ вается усилие на прессе. Вследствие расклинивающего действия клина происходит скачок трещины, величина KDc определяется по приведенным выше зависимостям с

использованием усилия, расклинивающего образец, и размера трещины в момент остановки трещины.

1.6.2. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения. С позиций механики разрушения (механики трещин) комплексной характеристикой сопротивления усталости металлов и сплавов является кинетическая диаграмма усталостного раз­ рушения (рис. 1.81, а). По оси ординат на этом рисунке откладывается логарифм ско­ рости роста трещины, а по оси абсцисс — логарифм размаха коэффициента интенсив­

При использовании зависимостей (1.255) и (1.256) следует учитывать, что, как будет.показано ниже, функции f (Д/Q и / (/Стах) зависят не только от свойств мате­

риала, но и от условий испытаний (среда, асимметрия цикла, частота нагружения

натах daldn — Д/С к диаграммам в координатах daldn — Ктах связан лишь с изме­

нением масштаба по оси абсцисс.

В ряде работ, особенно в тех случаях, когда исследования проводятся при пов­ торно-переменных циклах нагружения, предпочтение при построении рассматрива­ емых зависимостей отдается величине /Стах.

Приведенная на рис. 1.91, а зависимость является основной информацией о про­ цессе усталостного разрушения на стадии развития трещины и охватывает диапазон изменения скорости роста трещины от нуля до критического значения, соответству­ ющего окончательному разрушению образца.

На диаграмме, представленной в логарифмических координатах на рис. 1.81, а, можно выделить три участка, каждый из которых характеризуется своими феноме-

da/dn,мн/циня

Рис. 1.81. Кинетическая диаграмма усталостного резрушения металлов в вакууме (•О и в воздухе с относительной влажностью 5 (2), 20 (3), 40 (4), 60 (5) и 90 % (б):

а — общий вид; б — сплав Д16Т; * — сталь 65Г

высоких (da/dn > 10—3 мм/цикл) скоростей развития трещины. Основными характе­

степенной зависимости da/dn = С /е ^ х, описывающей участок средних скоростей раз­ вития трещин. Величину К ^ находят непосредственно из опыта как максимальное

X 10—7 мм/цикл [195]. В некоторых работах эту величину с целью сокращения вре­ мени испытания рекомендугатчопределять путем экстраполяции точек, полученных на участке /, хотя точность определения Kih в этом случае падает.

Критическое значение коэффициента интенсивности напряжения при цикли­ ческом нагружении КfC, как показывают результаты экспериментальных исследова­

ний [161, 163], является самостоятельной характеристикой и может существенно отличаться по величине от К1е, найденного при статическом нагружении.

Особенно важно знать Kfcдля случаев, когда в вершине трещины отсутствует

развитая зона пластической деформации и развитие трещины соответствует пунктир­ ной линии, показанной на рис. 1.81, а.

В соответствии с уравнением (1.255) число циклов, при котором трещина дос­ тигает размера ак, может быть найдено по зависимости

da

Л/ - I ' С (АК)п* а0

Приняв АК = Ао V Ma, М = У-*л, и проинтегрировав выше приведенную зависи­ мость, получим

где До — начальный размер трещины; ак — конечный ее размер.

няется в пределах 2...6.

Зависимость (1.259) также описывает прямолинейный участок на кинетической диаграмме усталости. Зависимость (1.260) описывает полностью диаграмму. Вели­ чина постоянной С в уравнении (1.258) зависит от выбора системы единиц при по­ строении зависимости daldn — Д/С; величина постоянной п* от выбора системы еди­ ниц не зависит. В ряде работ было показано существование корреляционной связи между величинами Си п*.

Существенное влияние на кинетические диаграммы усталостного разрушения оказывает среда, в которой проводятся испытания.

На рис. 1.81 [196] приведены кинетические диаграммы усталостного разруше­ ния алюминиевого сплава Д16Т (б) и стали 65Г (в) в вакууме и воздухе при атмосфер­

значение циклической вязкости разрушения металлов одинаковы или близки во всех средах. При малых скоростях роста скорость не зависит от процентного содержания влаги и существенно отличается от скорости в вакууме.

В работе [196] делается вывод, что в первом случае (большие скорости) мате­ риал не успевает прореагировать с влагой, а в другом (малые скорости) — при всех содержаниях влаги времени достаточно для такой реакции.

Рис. 1.82. Диаграммы коррозионной трещиностойкости (а) и усталостного разруше* ния (б) при коррозионном воздействии (/) и в инертной среде (2, 5)

Рис. 1.83. Зависимость da/dh — К для малых трещин

Наибольшее отличие в скоростях наблюдается для области средних скоростей, что надо учитывать при испытаниях. Весьма существенно влияние на кинетические диаграммы усталостного разрушения водородосодержащих сред. При воздействии таких сред даже простатическом нагружении (рис. 1.82) при коэффициентах интен­

водорода, или повышается до 70 МПа • Y м для сталей с более умеренным уровнем прочности. '

При циклическом нагружении при наличии водорода кинетическая диаграмма усталостного разрушения будет соответствовать кривой 1 (рис. 1.82). Для сравне­ ния на этом рисунке построены кинетические диаграммы в инертной среде при упру­ гом (2) упругопластическом (3) разрушениях.

Исследования, выполненные в последние годы [199, 209, 220], показали, что развитие трещин на микроскопическом уровне не соответствуют диаграмме, приве­ денной на рис. 1.81, а. Малые (короткие) трещины, т. е. трещины, размеры которых соизмеримы с размерами структурных составляющих, развиваются в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.83, где по вертикальной оси откладывается ско­

для макроскопических трещин, причем большинство из этих трещин. (/) прекращает свой рост после достижения некоторых размеров. Некоторая часть трещин (2), ко­ торые имеют более высокие скорости роста, достигают достаточно больших размеров и начинают развиваться в соответствии с законом больших трещин (5). Под больши­

материала на микроскопическом уровне. В ряде работ делались попытки дать ана­ литическое описание скорости развития трещин. Так, в работе [199] было предло­ жено описывать начальную стадию развития малых трещин уравнением

Глава 2

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Под конструкционными подразумеваются материалы, используе­ мые для изготовления деталей машин и сооружений, в которых в процессе эксплуатации имеют место напряжения от механических, термических и других воздей­ ствий. Такие детали должны подвергаться расчетам на прочность с использова­ нием характеристик сопротивления материалов этих деталей деформированию и разрушению.

Большинство материалов, используемых в технике,— конструкционные, в ка­ честве исключений можно назвать декоративные и некоторые другие материалы. Роль конструкционных материалов в технике чрезвычайно велика.

Можно с уверенностью сказать, что прогресс в создании машин и сооружений самого разнообразного назначения связан с разработкой материалов, позволяющих обеспечить работоспособность деталей в условиях больших напряжений, высоких и низких температур, высоких скоростей нагрева, больших длительностях воз­ действия нагрузок и температур, цикличности нагружения, наличия коррозионных, радиационных и других воздействий, существования технологических и эксплуата­ ционных дефектов и других факторов. В связи с этим наибольший интерес представ­ ляют конструкционные материалы, эксплуатирующиеся в условиях интенсивного силового и теплового нагружения, когда учет влияния этого нагружения наиболее важен.

В технике используется огромное количество разнообразных по свойствам и назначению материалов. Этому вопросу посвящена многочисленная специальная литература [52, 54, 69, 83, 167, 172, 176].

Целью этой главы не является детальное рассмотрение структуры и свойств раз­ личных конструкционных материалов, используемых в технике. Это и невозможно

сравнению с тем, как они представлены в книгах по сопротивлению материалов, пока­ зав основные особенности деформирования и разрушения материалов, зависимость механических свойств этих материалов от технологии их изготовления и обработки. Все это иллюстрируется фактическими данными по механическим свойствам рассмат­ риваемых материалов.

За основу классификации материалов принимается их поведение при механиче­ ском нагружении, вне той классификации, которая принята в литературе на основе материаловедческих и других подходов.

По характеру деформирования и разрушения все конструкционные материалы в данной работе разделены на четыре группы: пластичные металлы и сплавы, мало­ пластичные и хрупкие материалы, пластические массы и композиционные мате­ риалы.

В первой группе рассматриваются стали самого разнообразного назначения, легкие сплавы на основе алюминия, титана и магния, жаропрочные стали и сплавы на основе никеля и кобальта, тугоплавкие металлы и сплавы, другие цветные сплавы.

Ко второй группе отнесены чугуны, тугоплавкие соединения и материалы на их основе, углеграфитовые материалы, стекло и ситаллы.

В третьей группе рассматриваются пластические массы, основу которых состав­ ляют полимеры.

В четвертой группе рассматриваются композиционные материалы на основе по­ лимеров, металлов и других материалов.

Рассмотрению свойств четырех указанных групп материалов предшествует раз­ дел, посвященный краткой характеристике основных требований, предъявляемых

кконструкционным материалам в технике.

Вглаве не рассматриваются свойства строительных неметаллических материа­ лов, текстильных и других подобных материалов.

2.1. Основные требования к конструкционным материалам

При создании деталей различных машин и сооружений к материа­ лам предъявляются самые разнообразные требования. Рассматривая способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению, можно отметить сле­ дующие основные требования. Материал должен иметь высокую прочность и жест­ кость, т. е. способность сопротивляться нагрузкам без разрушения и без значительных деформаций. Важно, чтобы прочность материала сохранялась с учетом всего ком­ плекса факторов (режим и длительность нагружения, конструкция детален и т. п.), характерных для реальных условий эксплуатации, чему в данной работе уделяется первостепенное внимание.

Во многих случаях важна не абсолютная прочность, а удельная, т. е. прочность, отнесенная к удельному весу. Не всегда высокая прочность материала гарантирует его успешное использование в высоконапряженных деталях, важна способность ма­ териала нейтрализовать опасное влияние технологических и эксплуатацион­ ных дефектов, особенно при низких температурах и высоких скоростях нагружения.

Впервом приближении характеристиками такой способности являются пластичность

иэнергия разрушения.

Во многих конструкциях материал эксплуатируется при высоких температурах

вая коррозия, износ и т. п.).

Важное требование к конструкционным материалам — стабильность их свойств в течение заданного срока эксплуатации. Существенное изменение его свойств, на­ пример охрупчивание вследствие наводораживання, радиационное охрупчивание, изменение химического состава в течение длительного высокотемпературного нагре­ ва и другое может привести к преждевременному разрушению деталей в эксплуата­

требованиям можно отнести и экономичность производства деталей из тех или иных материалов с учетом стоимости самого материала, совершенства технологии произ­ водства деталей из него и т. п.

Кратко рассмотрим свойства конструкционных материалов в гг язи с этими тре­

Вакансия Вакансия

созданный соседними атомами, и перейти в междоузлие на поверхность кристалла

чистом металле.

Линейные несовершенства (дислокации) имеют малые размеры в двух измере­

видных кристаллов весьма малых размеров (усов) (с толщиной 0,5...2,0 мкм), которые практически не имеют дефектов; область 3 — прочности технически чистых метал­ лов в поли кристаллическом состоянии; область 4 — прочности сплавов, упрочненных легированием, термической и термомеханической обработкой.

Под теоретической прочностью отр понимают сопротивление деформации и раз­

рушению, которые должны были бы иметь материалы, исходя из расчета сил сцепле­ ния на атомном уровне. Существуют различные подходы для определения теорети­ ческой прочности. Так, в работе [215] предполагается, что теоретическая прочность соответствует зависимости

прочности соответствует 0,5В. В табл. 2.1 приведены значения теоретической и тех­ нической прочности для некоторых металлов.

Рис. 2.3. Зависимость сопротивления деформации от числа дефектов, содержащих­ ся в кристалле металла

Рис. 2.4. Диаграмма прочности железа и сталей

Снижение реальной прочности металлов по сравнению с теоретической объясня­ ется наличием дислокаций. Перемещение дислокаций, которое является начальным актом пластического деформирования, возможно, как показывают расчеты, при го­

в достаточно больших объемах металла, имеющих практический смысл, в настоящее время не реализовано, упрочнение метал­

дислокаций.

На рис. 2.4 [44, 206] построена диаграмма прочности железа и сталей в различ­ ном состоянии, позволяющая оценить уровень предела прочности для различных

состояний. Участок 1 соответствует монокристаллам железа высокой частоты, 2 — железу, упрочненному введением в твердый раствор углерода (0,0001...0,0005 С);

апазон пределов прочности, реализуемых в железе и его сплавах, весьма велик и мо­ жет удовлетворить различные технические требования, при условии, что будут удовлетворяться требования к другим характеристикам сопротивления деформиро­ ванию и разрушению. Очевидно, и для других металлов и их сплавов можно постро­

ить аналогичные диаграммы прочности. Весьма высокие характеристики прочно­

сти металлических и неметаллических ните­ видных кристаллов (усов) стимулировало раз­ витие исследований по поискам путей реали­ зации этой прочности при решении практиче-

280 560 880 U20 Ш0<59)МПа

Рис. 2.5. Соотношение пределов прочности и выносливости для сталей

^ис. 2.6. Изменение удельной прочности материалов в процессе их совершенствова­ ния