Введение

В инженерной практике под термином «разрушение конструкции» помимо разделения её на части также понимается утрата ей работоспособности. В понятие разрушения входит ряд различных по своему характеру изменений механического состояния, возникновение любого из которых приводит к тому, что машина, агрегат или сооружение теряют способность выполнять свои функции, оставаясь совершенно целыми. С другой стороны, разрушение конструкции связано зачастую непосредственно с разрушением материала в ее наиболее нагруженных точках.

В настоящее время разрушение материала рассматривается как кинетический процесс, проходящий несколько стадий.

1. Накопление повреждений в сплошном материале. Процесс повреждения (разрыхления материала) связывают с пластическим деформированием в микрообъёмах тела, носящим сдвиговый характер. На этом этапе возникают и развиваются очаги разрушения (микротрещины в местах пересечения дислокаций, микропоры на границах зерен, клиновидные трещины и т.п.).

2. Слияние микротрещин, их рост внутри зерен и (или) по их границам, заканчивающийся образованием макротрещины (считают, что в этот момент повреждение достигает своего критического значения).

3. Дальнейшее развитие макротрещины как магистральной приводит к разделению тела на части

В зависимости от условий роста трещин на третьей стадии различают два типа разрушения.

1. Хрупкое разрушение. Трещина растёт в упруго работающем материале, если считать его сплошным и однородным. В конструкционных сталях и сплавах возможны микропластические деформации в зонах микродефектов кристаллической решетки. Скорость роста таких "упругих" трещин весьма велика, соизмерима со скоростью распространения звука в материале. Поскольку остановить рост такой трещины практически очень трудно, хрупкое разрушение чрезвычайно опасно.

2. Вязкое (пластическое) разрушение. Трещина растёт в неупруго работающей конструкции. В этом случае в материале должны возникать значительные пластические деформации. Скорость роста таких трещин определяется скоростью нагружения и сравнительно невелика. Такие трещины можно обнаружить и остановить, поэтому вязкое разрушение считается менее опасным.

В данной работе под разрушением будем понимать нарушение сплошности материала, завершающее вторую стадию (так называемое рассеянное разрушение).

Будем считать, что разрушение (нарушение сплошности материала) произойдёт, если максимальное значение некоторой выбранной механической величины при сложном напряжённом состоянии станет равным или превысит значение той же величины, при котором происходит разрушение образца в испытаниях на растяжение.

В качестве такой величины обычно вводят эквивалентное напряжение . Растягивающее напряжение соответствует такому линейному напряженному состоянию, которое равноопасно заданному сложному, т.е., при увеличении напряжения и каждой компоненты рассматриваемого сложного напряженного состояния в определенное число раз разрушение обоих элементов объема произойдет одновременно. Тогда условие разрушения записывается в виде

,

где ‑ истинное сопротивление разрыву (в дальнейшем – разрушающее (предельное) напряжение).

В настоящее время используются два типа условий (моделей), определяющих предельное состояние материала:

1. силовые критерии разрушения, в которых определяющими параметрами процесса накопления повреждений являются касательные напряжения (максимальные, октаэдрические) или величины, связанные с ними, например, интенсивность напряжений. К такому типу условий разрушения относятся теории О. Мора, Лебедева-Писаренко, Надаи и др.;

2. деформационные критерии разрушения, в которых величина накопленного повреждения связывается с величиной максимальной деформации (полной или пластической) или параметрами, связанными с компонентами деформации, чаще всего, с параметром Удквиста или интенсивностью пластических деформаций.

В данной работе произведен сравнительный анализ традиционных и современных критериев возникновения предельного состояния пластичного (алюминиевый сплав Д16Т) и хрупкого (ковкий чугун КЧ 35-10) материалов при сложном напряжённом состоянии.

Основные сведения о рассматриваемых в работе материалах

Алюминиевый сплав Д16Т – это сплав алюминия с легирующими элементами. В качестве элементов, вводимых в состав сплава и улучшающих его свойства, используют медь (занимает порядка 3,8 – 4,4% массы), магний (1,5 %), марганца (0,5%) и небольшое количество кремния и железа. Дюралюминий Д16Т получается из сплава Д16. Для этого последний нагревают до температуры 500 градусов Цельсия, а затем закаливают в воде. С помощью искусственного или естественного старения достигается высокая механическая прочность и пластичность. Д16Т – один из наиболее востребованных алюминиевых сплавов. Он находит применение в авиационной, автомобильной, химической, нефтяной промышленности, а также энергетике и широко используется для силовых элементов конструкций. Детали из алюминиевого сплава Д16Т обычно эксплуатируются при температурах не выше 120^°C, так как при высоких температурах он проявляет склонность к межкристаллитной коррозии.

Ковкий чугун КЧ 35-10 принадлежит к ковким чугунам ферритного класса, характеризующимся ферритной или ферритно-перлитной микроструктурной металлической основой. Маркировка означает, что предел прочности на разрыв для данного чугуна составляет 350 (333) МПа, а относительное удлинение при разрыве достигает 10%. Его получают графитизирующим отжигом белого чугуна определенного состава. Содержит 2,5 – 2,8% углерода, 1,1 – 1,3% марганца. Обрабатываемость ферритного ковкого чугуна весьма высока; включения графита оказывают смазывающее действие и дробят стружку. Чугун КЧ 35-10 применяется для изготовления отливок деталей, работающих при высоких статических и динамических нагрузках. Используется в автомобилестроении (картеры заднего моста, дифференциала, руля, ступицы колес) и вагоностроении (детали тормозов, подшипников, кронштейны, тяговые сцепления).