2.6.4 О склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению в связи с влиянием вида напряженного состояния
Проблема хрупкого разрушения, которое более подробно исследуется в разделе 3, приобрела в настоящее время особую актуальность.
Как правило, хрупкое состояние связывают с температурой, скоростью нагружения, градиентом напряжений (концентраторы), средой. Однако, помимо этих факторов на хрупкое состояние заметно влияет вид напряженного состояния.
Анализ случаев хрупкого разрушения элементов конструкций, особенно, изготовленных из достаточно пластичных в обычных условиях и не охрупчивающихся с понижением температуры материалов, показывает, что зоны разрушения, как правило, локализуются в местах, где напряженное состояние характеризуется высокими значениями положительного шарового тензора.
Известно, что медь не охрупчивается даже при очень низкой температуре. Тем не менее, если медную пластинку, защемленную по контуру, подвергнуть одностороннему равномерному давлению, то металл, работая в условиях двухосного растяжения, проявит все признаки хрупкого разрушения.
А.А.Лебедев и Г.С.Писаренко в качестве параметра, характеризующего ресурс пластичности материала при данной температуре, принимают отношение условного предела текучести к пределу прочности. Температура, при которой деформация при разрушении не превышает допуска на условный предел текучести (0,2 %), соответствует критической температуре вязко-хрупкого перехода. Анализ проводится на основе опытов с алюминиевыми сплавами, углеродистыми и хромоникелевыми сталями.
2.7 Методы механических испытаний материалов при сложном напряженном состоянии
2.7.1 Испытания материалов в обоймах и камерах высокого давления
Испытания материалов под гидростатическим давлением дают богатую информацию об их механических свойствах.
Испытания в обоймах (см. рисунки 2.7.1, 2.7.2, 2.7.3) не требуют специального оборудования и обеспечивают возможность создания значительных боковых давлений.
Рисунок 2.7.1 - Испытание образца Рисунок 2.7.2 – Испытание образца в обойме
в обойме в обойме
Рисунок 2.7.3 - Испытание образца
в обойме
Экспериментаторами выведены расчетные формулы для оценки нагрузок. Показано, что реализуется трёхосное сжатие и нагружение близко к простому.
Систематическим изучением свойств материалов при больших гидростатических давлениях (до 30000 кг/см2) впервые занимался Бриджмен. Нагружение создавалось ступенями и не удалось добиться постоянства гидростатического давления во время опыта.
Дальнейшее совершенствование этого метода шло в направлении ввода в камеру высокого давления штанг (см. рисунок 2.7.4), или нагружение осуществлялось посредством поршня, одновременно создающего в камере давление.
Рисунок 2.7.4 – Испытание образца в камере высокого давления
В качестве рабочей жидкости используются спирты, бензин, минеральные масла и др. Во ВНИИЭФ разработано устройство (см. рисунок 2.7.5) для испытаний образцов при объемном напряженном состоянии (авторское свидетельство СССР на изобретение №1405472, авторы Н.А.Гнитий и Ю.И.Щербак).
Устройство содержит камеру 1, заполненную рабочей жидкостью и установленные в ней первый и второй поршни 2 и 3. Первый и второй захваты 4 и 5 предназначены для крепления образца 6. Неподвижная опора выполнена в виде стакана 7. Основание 8 неподвижно закреплено относительно камеры 1 и имеет установленные на нём с возможностью перемещения упоры 9. Первый упругий элемент 10 контактирует с первым поршнем 2 и упорами 9, а второй упругий элемент постоянной жесткости выполнен в виде пружины 11, установленной между захватом 5 и дном стакана 7. Второй захват 5 конструктивно выполнен в виде цилиндрического упругого элемента, к стенкам которого прикреплены тензодатчики (на чертеже не показаны), и выполняет одновременно роль датчика осевого усилия. Перемещение второго поршня 3 вниз обеспечивает повышение давления в камере 1, что вызывает возрастание бокового давления рабочей жидкости на образец 6, перемещение вниз первого захвата 4, связанного с первым поршнем 2, и возрастание пропорционально давлению осевого растягивающего усилия в образце 6 и сжатия пружины 11. При движении поршня 2, контактирующего с первым упругим элементом 10, при прогибе последнего возникает сила, противоположная растягивающему усилию и зависящая от выбранной жесткости упругого элемента 10 путем перемещения упора 9, в результате чего устанавливается задаваемое программой соотношение бокового давления и растягивающего осевого усилия.
Рисунок 2.7.5 – Устройство для испытаний образцов при объемном напряженном состоянии
В образце можно реализовать двухосное сжатие с растяжением, двухосное равное сжатие, трехосное сжатие. При этом возможно измерение усилий и деформаций. На рассмотренном устройстве проведены исследования ВВ и их имитаторов. Рабочая среда – трансформаторное масло.