книги из ГПНТБ / Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов

к пределу текучести. В другой серии малоцикловому повреждению подвергались плоские образцы (см. рис. 80) из листовой стали 09Г2 толщиной 12 мм. Эти образцы первоначально испытывались на отнулевое внецентренное растяжение. Наибольшее номинальное напря­ жение цикла составляло 61 кгс/мм2 и было выше предела текучести;

Рис. 123. Признаки усталостного повреждения; а, в — сопротивление хрупкому разрушению в зависимости от глубины трещины; б, г — сопротивление хрупкому разрушению и глубина трещины в зависимости от числа циклов.

на образцах накапливалось неразрушающее повреждение и выращи­ вались трещины малоцикловой усталости глубиной до 5 мм.

После циклических пробегов при напряжении образцы обоих типов испытывались до разрушения. Средством перевода образцов в хрупкое состояние служило их охлаждение в жидком азоте (—196° С). На рис. 123 представлены значения номинальных напря­ жений при хрупком разрушении образцов в зависимости от длины трещины и от числа циклов. По полученным результатам можно заключить, что циклические пробеги при напряжении начинают от­ рицательно влиять на сопротивление хрупкому разрушению еще до возникновения трещин усталости, свидетельствуя о предваритель­ ном накоплении неразрушающего усталостного повреждения мате­ риала. Сопротивление хрупкому разрушению, после возникновения трещин, рассчитанное по минимальному сечению, оказалось не за­ висящим от длины этих трещин. Другими словами, нагрузка, вызы­

178

вающая хрупкое разрушение, снижалась только из-за уменьшения поперечного сечения образца при углублении трещин.

Основываясь на результатах рассмотренных экспериментов, можно заключить, что на практике малоцикловое эксплуатационное повреждение конструкции при неблагоприятных условиях может стать причиной хрупкого разрушения ее от незначительного внешнего

а)

S)

п г )

Рис. 124. Вероятность хрупкого разрушения в связи со сближением критической и эксплуатационных температур (а) или вследствие сближения параметра объемной напряженности и реологической характеристики (б).

---------- сталь в состоянии поставки; — — — сталь с накопленным эксплуатационным пов­ реждением.

или внутреннего воздействия. Это обусловлено тем, что в результате повреждения повышается критическая температура хрупкого раз­ рушения материала или понижается его реологическая характери­ стика (рис. 124, штриховые линии). Согласно вероятностной трак­ товке, сближение распределений критической и эксплуатационной

§ 42

Средства повышения циклической прочности

Циклическая прочность материалов при экс­ плуатации деталей оказывается ниже, чем при испытаниях образцов, что является следствием проявления масштабного эффекта. Что же касается отрицательного действия концентрации напряжений, по­ верхностной неровности и шероховатости, остаточных напряжений, коррозии и вибрации, то они могут устраняться или ослабляться конструктивно-технологическими и эксплуатационными мерами,

кчислу которых относятся:

1.Ограничение концентрации напряжений, достигаемое совер­ шенствованием конструктивных форм.

2.Прогрессивная технологическая подготовка, обеспечивающая качественную поверхность, плавные профили сварных швов, преду­ преждение подрезов, снижение остаточных растягивающих напря­ жений объемного характера, поверхностное упрочнение наклепом посредством обкатки или дробеструйной обработки, цементация, азотирование, поверхностная закалка с применением нагрева то­ ками высокой частоты.

3.Улучшение эксплуатационных условий: предупреждение чрез­ мерных амплитуд вынужденных колебаний, недопущение поверхност­ ных повреждений, защита от коррозии покрытиями и облицовками.

4.Применение материалов, устойчивых против коррозии, для деталей, эксплуатируемых в агрессивной среде, а также оказываю­ щих высокое сопротивление накоплению повреждения.

В благоприятных условиях в качестве материала высокой ци­ клической прочности можно применять легированные стали, улуч­ шенные термообработкой. При ограниченной циклической долговеч­ ности, а также при знакопостоянных напряжениях, легированные стали, обладая более высокими характеристиками статической проч­ ности по сравнению с углеродистыми сталями, оказываются предпо­ чтительнее также и по циклической прочности. Но и в условиях не­

ограниченной долговечности, а также в случае симметричного цикла легированные стали, несмотря на повышенную чувствительность к от­ рицательно действующим факторам, обладают преимуществом перед углеродистыми сталями при условии умеренной концентрации на­ пряжений, чисто обработанной поверхности, отсутствия коррозион­ ной среды.

§ 43

Теории усталости

Изучение процесса усталости металлов в ци­ клически перенапряженных деталях и образцах привело исследова­ телей к выдвижению ряда физических теорий, объясняющих уста­ лость изменениями свойств и структуры материала при повторно­ переменной деформации и циклическом действии напряжений.

180

Ранние теории усталости рассматривали материал как сплошную и однородную среду. Усталостное разрушение объяснялось пласти­ ческой деформацией, а предел усталости принимался равным пре­ делу упругости. С развитием учения о зернисто-кристаллической неоднородной структуре металлов была разработана теория упроч-

нения. По этой теории процесс усталости представлялся тремя перио­ дами: 1) пластическая деформация микрозерен, наклеп и упрочне­ ние материала таких зерен; 2) зарождение микротрещин усталости, когда способности наклепанных зерен деформироваться пластически

разупрочнение материала и снижение его сопротивления разрушению (рис. 126). В случае циклического недонапряжения разупрочнение незначительное, а при перенапряжении разупрочнение предопреде­ ляет разрушение от усталости.

Теория отождествления предела выносливости и предела упру­ гости, теория упрочнения, а также теория упрочнения и разупрочне­ ния оказались недостаточными для объяснения целого ряда факто­ ров, влияющих на предел выносливости, прежде всего масштабного

181

эффекта и градиента напряжений. По рассмотренным теориям нельзя объяснить сильного рассеяния значений циклической прочности одного и того же металла, которое наблюдается даже на образцах одинаковой формы и размеров.

Статистические теории усталостной прочности рассматривают вероятность нахождения в материале зерен с заданными характери­ стиками прочности. Эти теории отражают влияние масштаба и гра­ диента напряжений на циклическую прочность.

Дислокационные теории рассматривают усталость на атомном уровне, объясняя пластические деформации наличием пороков атомно-кристаллической решетки — дислокаций и вакансий.

Рассматривая нарушение междуатомных связей в кристалличе­ ских зернах металлов, исследователи обратили внимание на подобие разрушения этих связей под влиянием нагрева и, следовательно, теплового движения атомов, а также под действием механического фактора — напряжения. В результате возникла структурно-энерге­ тическая теория усталости, предполагающая независимость энергии разрушения от способа подвода энергии. По представлениям В. С. Ивановой [32], существует аналогия процессов механического разрушения и плавления, а на этой основе ею находятся связи между термодинамическими и прочностными характеристиками. Энергети­ ческая теория усталости разработана не совсем строго, вследствие существующих различий между процессами деформирования и плав­ ления металла. Ведь известно, что пластическая деформация разви­ вается неоднородно по объему и разрушение происходит локально, поскольку нарушаются не все междуатомные связи, а лишь самые слабые. В отличие от деформирования и разрушения, плавление

терных предельных состояний, исключающих эксплуатацию кон­ струкций из-за повреждения или разрушения перенапряженных деталей. В приведенных там примерах аварийных ситуаций не имелось ссылок на повреждения, обусловленные фибровой теку­ честью при изгибе пластин и стержней массивных сечений и при кру­ чении круглых стержней. В результате создается впечатление, что угроза разрушения в таких случаях отсутствует. Это объясняется

182

тем, что фибровая текучесть — понятие условное; кроме того, можно считать, что конструкция находится на пределе упругой стадии, вследствие чего деформация под кратковременным напряже­ нием еще остается обратимой при разгрузке. Следовательно, причин для беспокойства о повреждении конструкций практически не воз­ никает. Однако в проектной работе предусматривается недопущение даже незначительного распространения пластической деформации в деталях напряженных конструкций. Поэтому общепринято про­ водить оценку прочности по пределу текучести как по расчетной характеристике. Другими словами, фибровая текучесть рассматри­ вается как угрожающий фактор при расчетах. А практически теку­ честь представляется реальной угрозой лишь для равномерно напря­ женных элементов, например для оболочек, палубного настила корпусов судов. Текучесть материала оболочек, испытывающих внутреннее давление, приводит к заметному изменению формы и геометрических размеров (см. рис. 61, б). Оболочки, испытываю­ щие наружное давление, сжатый настил палубы под напряжением, достигающим предела текучести, обычно теряют устойчивость.

Некоторое несоответствие между предполагаемой и реальной угро­ зой фибровой текучести объясняется следующими соображениями. Предельные напряжения, используемые в расчетах прочности, уста­ навливаются преимущественно при испытании гладких образцов на осевое растяжение. До образования шейки деформация развивается равномерно по всему объему исследуемой части образца. Наступле­ ние текучести сопровождается настолько заметной остаточной де­ формацией, что она представляется специалисту недопустимой и явно повреждающей. Это справедливо, в частности, для конструк­ ций оболочечного типа. Однако мало основания переносить такое поведение образца на случаи деформации, неравномерной по длине и поперечному сечению, что характерно для изгиба или кручения стержней массивных сечений. Приближение материала к текучести в какой-либо точке детали, испытывающей изгиб или кручение, не представляет такой значительной угрозы для конструкции, как текучесть материалов по всему объему стержня или по всей толщине оболочки при осевом растяжении. Поэтому если в случайно пере­ груженной детали конструкции возникают крайне ограниченные местные очаги текучести материала, то угрожающая ситуация не проявляется.

В случае неравномерного деформирования и особенно в стати­ чески неопределимых системах переход текучести от крайних во­ локон к внутренним происходит постепенно, в некоторой после­ довательности. В результате достигается предельное состояние, для которого характерно превращение конструкции под предельной нагрузкой в подвижную систему вследствие утраты геометрической неизменяемости. Сопротивление развитию пластической деформации, приводящей к геометрической изменяемости конструкции, значи­ тельно больше сопротивления предельному упругому деформирова­ нию при фибровой текучести. На практике предельное состояние с. развитием пластической деформации, приводящей к утрате гео­

183

метрической неизменяемости, может быть только при случайной перегрузке, поскольку резервы сопротивления пластическому де­ формированию весьма высоки и обычно не исчерпываются. Это бу­ дет показано далее на примерах. Предельные состояния, для кото­ рых характерна фибровая текучесть или развитие пластической деформации, рассматриваются без учета влияния местных напряже­ ний в зоне концентраторов в виде канавок, выкружек, отверстий с не­ большими радиусами скругления. Однако учету подлежит концент­ рация напряжений, охватывающая целый лист или его значитель­ ную часть в вырезах крупногабаритных судокорпусных конструк­ ций. В расчетах не рассматриваются также остаточные напряжения, обусловленные внутренне уравновешенными силами. Влияние оста­ точных напряжений на сопротивление деталей пластическим дефор­ мациям несущественно и лишь в некоторых случаях сопровождается эффектом Баушингера.

В условиях, способствующих хрупкому разрушению, снижается надежность стальных конструкций. Хрупкие разрушения наступают случайно и во многом обусловлены первоначальными дефектами конструкций. Эти дефекты остаются неустраненными из-за невоз­ можности полного контролирования качества материала, а также технологии изготовления. Дефектами оказываются непровары, под­ резы в сварных соединениях, сопутствующая закалка в зоне терми­ ческого влияния. Встречаются и такие дефекты, которые вызываются конструктивными несовершенствами. В случае местного характера этих дефектов образуются хрупкие трещины, но в ограниченной области, развитие которых приостанавливается при подходе к участ­ кам с удовлетворительными свойствами материала и не имеющим конструктивных недостатков. При благоприятных физических усло­ виях (соответствующая температура и отсутствие динамических воздействий) дефекты не создают значительной угрозы разрушения, а первичные хрупкие трещины остаются нераспространившимися. В этих условиях металлоконструкция обладает эксплуатационной надежностью и не разрушается от перенапряжения. Однако при изменении физических условий в неблагоприятную сторону, напри­ мер в случае холода, ударов, пластичность материала ограничи­ вается из-за снижения реологической характеристики уотр. Затор­ маживание пластической деформации усиливается и при наличии первичных дефектов. Возбуждаемые вблизи дефектов местные нап­ ряжения, а также остаточные напряжения при свойственной им объемности оказываются опасными в связи с высокими значениями

к распространению хрупких трещин на недопустимо большое рас­ стояние, вызывая катастрофические последствия.

Малоцикловая усталость в качестве критерия предельного со­ стояния стала использоваться только в последние годы. Так как проявление малоцикловой усталости довольно разнообразно, то принятие ее в качестве критерия предельного состояния требует

184

Глубокого анализа. Как уже указывалось в § 36, повторение пласти­ ческой деформации может приводить к образованию трещин уста­ лости после настолько большого числа циклов, которое не встре­ чается в условиях эксплуатации при действии перегрузки. Следо­ вательно, для предельного состояния, обусловленного перегрузкой, остается характерным только развитие пластической деформа­ ции, но с охватом ею макроскопических областей деталей. Такое предельное состояние уже было рассмотрено (см. § 5). Однако, в результате малоцикловых пробегов за пределом текучести, в ма­ териале накапливается неразрушающее повреждение. Оно почти не влияет на такие характеристики прочности, как и, и и, . Но под Влиянием малоциклового повреждения может весьма существенно понизиться сопротивление хрупкому разрушению (см. § 41), которое необходимо учитывать в инженерных решениях.

Переходя к многоцикловой усталости, следует отметить, что Она является основным критерием предельного состояния много­ кратно нагружаемых деталей конструкций, эксплуатируемых в макроупругой области. При оценке усталостной прочности в этих слу­ чаях учитываются значения как фибровых, так и местных напряже­ ний, поскольку трещины усталости зарождаются от действия ука­ занных напряжений. Механическое подобие между переменными

удается. Поэтому, несмотря на обширные исследования усталости материалов во многих научно-исследовательских коллективах, в на­ стоящее время прибегают к некоторым допущениям при примене­ нии экспериментальных данных к практической оценке циклической прочности переменно-напряженных деталей.

Рассмотренные частные случаи предельных состояний зависят от значения, динамичности, продолжительности и цикличности дей­ ствующих внешних сил, а также от сил, внутренне уравновешен­ ных в самой конструкции. Однократные и немногократные пере­ грузки создают угрозу для фибровой текучести и для текучести, охватывающей макроскопические области; в последнем случае пре­ дельные нагрузки оказываются наиболее высокими, особенно для статически неопределимых систем. При наличии объемной напряжен­ ности,' совмещенной с неблагоприятным влиянием на пластичность физических условий и эксплуатационных повреждений материала, складываются предпосылки хрупкого разрушения. Разрушение происходит от незначительного внешнего воздействия, если прояв­ ляется действие внутренне уравновешенных сил. Многократное действие переменного напряжения обусловливает развитие усталост­ ного процесса и образование трещин. Так как вид предельного со­ стояния материала зависит от характера внешних и внутренних воздействий на него, перейдем к рассмотрению этих воздействий.

Природа нагрузок случайна. Поэтому сбор и обобщение инфор­ мации о нагрузках требуют весьма кропотливого и продолжитель­ ного исследования. Особенно затруднительно определение нагрузок, обусловленных внутренне уравновешенными силами, например си-

Лами, возбуждаемыми сваркой (в связи с температурными пере­ падами в зонах местной пластической деформации). Эти нагрузки

исоответствующие им напряжения большей частью остаются неуч­ тенными. Несколько лучше обстоит дело с определением внешних эксплуатационных нагрузок. В частности, для подъемно-транспорт­ ного оборудования, для транспортных машин достоверно назна­ чаются весовые нагрузки самой конструкции, массы транспорти­ руемых грузов, уверенно устанавливаются реактивные силы. Для корпусов судов нагрузки и реактивные силы во многом зависят от условий движения на тихой воде и на волнении, а также от гидрав­ лических ударов при встрече с волнами и вследствие ударов жидких грузов, расположенных в трюмах.

Спектр эксплуатационных нагрузок, значения которых случайны

иколеблются в значительных пределах, по теории вероятностей представляется распределением. Такое распределение, свидетель­ ствуя о степени вероятности нагрузок разных значений, не охваты­ вает влияния изменения физических условий эксплуатации на спо­ собность материалов сопротивляться действию напряжений, рас­ сматриваемых в качестве критерия предельного состояния. В ряде конструкций, эксплуатируемых в ограниченных режимах, значения внешних нагрузок мало колеблются. Такими конструкциями яв­ ляются двигатели, работающие преимущественно при заданной мощности и постоянном числе оборотов, а также оборудование этих двигателей. Нагрузки указанных конструкций мало коле­ блются и поэтому количественно представляются заданной систе­ мой сил.

§ 45

Экспериментальные характеристики свойств материалов, используемые в расчетах прочности

В условиях работы материала, способствую­ щих пластичности, при однократном перенапряжении достаточно руководствоваться значением предела текучести, иногда временным сопротивлением растяжению гладкого образца. Для суждения о пластичности материала полезно знать величины остаточных относительного удлинения б и относительного сужения в шейке яр, но в расчеты прочности по сложившейся методике последние характе­ ристики не вводятся.

При работе конструкции в условиях, не благоприятствующих развитию пластической деформации и создающих угрозу хрупкого разрушения, важное значение приобретают данные испытаний надрезанных образцов. Эти данные служат для определения способ­ ности материалов деформироваться пластически. Эффективность таких испытаний достигается надлежащим сближением значений

Т

и у . Для увеличения yj испытания проводятся на образцах

Т

186

с заостренным надрезом, а для уменьшения уотр — с использованием холода и удара. Однако в практике бывают случаи, когда стали раз­ рушаются хрупко при работе в составе конструкций, а испытания образцов не дают компрометирующих признаков. На это обраща­ лось внимание в § 32 при рассмотрении хрупких разрушений крупнотоннажных рефрижераторных судов рыбопромыслового флота за­ рубежной постройки. За последние годы сложилась тенденция к за­ острению надрезов на образцах, что отражено в ГОСТ 9454 — 60. Появились предложения применять образцы с предварительно вы­ ращенными трещинами усталости, представляющими собой предельно заостренные концентраторы напряжений. Предполагается, что такие трещины по эффективности концентрации напряжений приближаются к дефектам конструкций, обусловливающим хрупкое разрушение. Не исключено, что предварительная немногократная пластическая деформация надрезанных образцов создает вблизи надреза область неразрушающего повреждения при сохранении сплошности, которое при соответствующих условиях может сработать подобно кон­ центратору.

Значительные затруднения встречаются на пути уверенного применения к решениям задач кривых усталости, построенных общепринятыми методами. Эти кривые далеко не отражают связи между действительной нестационарной напряженностью и цикли­ ческими пробегами, на которых накапливаются эксплуатационные повреждения, приводящие в результате к разрушению от усталости.

В настоящее время специалисты усиленно работают над углуб­ лением представлений о свойствах материалов, стремясь сохранить ускоренные темпы лабораторного эксперимента и ограниченные размеры образцов. Одновременно используются возможности пол­ нее обеспечить подобие действия эксплуатационных факторов, влияю­ щих на предельное состояние, на соответствующие характеристики прочности и на способность материалов деформироваться пласти­ чески. Однако до сих пор характеристики прочности в современном толковании лишь частично поддаются нормированию. Например, нормируются схт, сгв, ф, а иногда и б. Из характеристик, отражающих способность материалов деформироваться пластически в неблаго­ приятных условиях, нормируется ударная вязкость надрезанных образцов при заданной температуре или критическая температура перехода из пластичного состояния в хрупкое. Создание надежных конструкций в настоящее время невозможно без проверки свойств материала на надрезанных образцах. Весьма далеки от нормирова­ ния экспериментальные значения сопротивления хрупкому разру­ шению материалов, обладающих пластичностью в обычных условиях. Поэтому не представляется возможным построение расчета проч­ ности деталей из таких материалов с учетом хрупкого разрушения. Не охватываются нормированием также характеристики цикли­ ческой прочности, в частности пределы выносливости. Однако и при отсутствии нормирования экспериментальные данные о цик­ лической прочности широко публикуются, критически обсуждаются специалистами и реализуются в инженерных решениях.

187