Основы механики контактного взаимодействия и разрушения. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Е. В. МАТВЕЕВА, М. А. ВАСЕЧКИН, Е. В. ЛИТВИНОВ, Л. Б. ЛИХАЧЁВА

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И РАЗРУШЕНИЯ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2023

УДК 621.031 (075)

ББК В25я7

О-75

Научный редактор профессор В. Г. ЕГОРОВ

Реце нз енты :

заведующий кафедрой машиностроительных технологий Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г. Ф. Морозова проф. А.М. КАДЫРМЕТОВ

д.т.н. профессор О. Н. КИРИЛЛОВ (Воронежский государственный технический университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

инженерных технологий. – Воронеж: ВГУИТ, 2023. – 51 с. – Текст: непосредственный.

ISBN 978-5-00032-649-7

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки выпускников по направлению 15.03.03 – «Прикладная механика». Дисциплина «Основы механики контактного взаимодействия и разрушения» относится к вариативной части модуля дисциплин по выбору. В учебном пособии приведены теоретические сведения и примеры решения задач основных разделов курса, таких как “Виды разрушения материалов”, “Напряжённое состояние в окрестности трещин”, “Условия роста трещины”.

инж. технол.», 2023

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ

Дисциплина “Основы механики контактного взаимодействия и разрушения” изучает последствия наличия трещиноподобных дефектов (как на микро, так и на макроуровне) с точки зрения конструкционной целостности. Она базируется на допущении, что трещины или трещиноподобные дефекты либо присутствуют изначально, либо могут возникнуть в процессе эксплуатации.

Дисциплина имеет своей целью подготовить будущего выпускника к решению инженерных задач механики разрушения, связанных с расчётом конструкций на прочность при наличии в них трещин.

Разрушение является сложным процессом деформации, при которой материал физически разделяется на части, а способность конструкции нести нагрузку снижается до нуля. Оно может происходить на разных масштабных уровнях в зависимости от размеров области разрушения; например, рассматривая элемент металлической конструкции, можно выделить следующие уровни: субмикроскопический, микроскопический и макроскопический.

В первом случае при разрушении происходит нарушение атомных связей, приводящее к созданию новой поверхности, раздела. Во втором случае микротрещина проходит по телу зёрен или границам материала. В третьем случае происходит движение трещины из области концентрации напряжений внутрь объёма материала.

Разрушение может быть как полным с разделением тела на отдельные части, так и частичным. В случае частичного разрушения в материале тела появляются повреждения в виде отдельных трещин или в виде распределённых по объёму дефектов ма-

териала, которые влекут за собой изменения механических свойств материала, в том числе ухудшение его прочности.

Возникновение и развитие трещин происходит задолго до полного разрушения. При этом конструкция ещё какое-то время сохраняет свою несущую способность. Судить о несущей способности детали помогает знание законов распространения трещин, которые рассматриваются в данном курсе.

3

1.ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

ИОБРАЗОВАНИЕ ТРЕЩИН

Внастоящее время не существует общепринятого определения разрушения и общепринятой классификации видов разрушений. Это связано со сложностью и неоднозначностью данного явления.

Разрушение протекает под действием множества факторов, его характеристики могут изменяться в зависимости от изменяющихся условий. Разрушение относится к одному из видов нарушения прочности. Оно может происходить в результате: чрезмерной (упругой или пластической) деформации, потери устойчивости, разрушения.

1.1.Классификация видов разрушений

Рассмотрим краткое определение с соответствующими пояснениями основных видов механического разрушения.

Упругая деформация возникает под действием внешних эксплуатационных нагрузок и (или) температур. Данный вид разрушения характеризуется тем, что упругая (обратимая) деформация элемента настолько велика, что элемент перестаёт выполнять предназначенную ему функцию.

Текучесть возникает при действии эксплуатационных нагрузок, когда пластическая (необратимая) деформация пластичного элемента становится настолько велика, что элемент утрачивает способность выполнять предназначенные ему функции.

Разрушение вдавливанием (бринелирование) происходит, когда статические усилия в месте контакта криволинейных -по верхностей приводят к появлению локальных пластических -де формаций у одного или у обоих соприкасающихся элементов, в результате чего форма поверхности получает необратимые изменения.

Например, в случае статического нагружения шарикоподшипника статически таким образом, что шарик оказывается вдавленным в обойму, происходит её пластически деформация и поверхность обоймы приобретает волнистую форму. В дальнейшем

4

это приводит к возникновению сильных вибраций, шума, перегрева при работе и в конечном счёте разрушению подшипника.

Если пластическая деформация пластичного элемента достигает такой величины, что он разделяется на две части, то происходит вязкое разрушение. При этом наблюдается процесс зарождения, слияния и распространения внутренних пор, поверхность разрушения в результате становится гладкой и волнистой.

Для хрупкого материала характерно хрупкое разрушение, которое происходит в результате разрушения первичных межатомных связей, когда упругая деформация элемента достигает такой величины, что элемент разделяется на две или более части. Внутренние дефекты и образующиеся трещины быстро распространяются до полного разрушения; поверхность разрушения при этом неровная, зернистая.

Квазихрупкое разрушение предполагает наличие пластической зоны перед краем трещины и наклёпанного материала(состояние материала после предварительной пластической деформации) у поверхности трещины (остальной, и значительно больший по величине, объём тела находится при этом в упругом состоянии).

Понятие усталость применяется в случае действия циклических нагрузок или деформаций в течение некоторого времени для обозначения разрушения в виде внезапного разделения детали или элемента машины на несколько частей. Происходит зарождение и распространение трещины, после достижения некоторого критического размера она становится неустойчивой и быстро увеличивается, вызывая разрушение. При усталостном разрушении нагрузки и деформации намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях.

Многоцикловая усталость характеризуется тем, что элемент разрушается более чем через 10 000 циклов изменений нагрузок и перемещений. Если же величины нагрузок и перемеще-

ний таковы, что разрушение происходит менее чем через 10 000 циклов, явление называется малоцикловой усталостью.

Термическая усталость возникает в детали, когда циклические нагрузки и деформации в результате действия циклически меняющегося температурного поля приводят к её разрушению.

5

Поверхностная усталость происходит при наличии вращающихся контактирующих поверхностей. Проявляется это в виде питтинга, растрескивания и выкрашивания контактирующих поверхностей в результате действия контактных напряжений, под влиянием которых на небольшой глубине у поверхности возникают максимальные по величине циклические касательные - на пряжения. Эти напряжения приводят к возникновению трещин, которые выходят на поверхность, при этом некоторые частицы материала отделяются. Это явление часто считается разновидностью износа.

1.2. Разрушение под действием коррозии

Коррозия - термин, который применяется для обозначения широкого класса видов разрушения, при которых деталь или элемент машины утрачивает способность исполнять свою функцию из-за нежелательной порчи материала в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионное разрушение часто проявляется во взаимодействии с другими видами разрушения, такими, как износ или усталость. Среди многих типов коррозии отметим следующие.

Чаще всего встречается химическая коррозия, которая возникает вследствие непосредственного контакта поверхности детали с коррозионной средой. Химическая коррозия происходит более или менее равномерно по всей открытой поверхности детали. Электрохимическая коррозия наблюдается, когда два разнородных металла образуют часть электрической цепи, замыкаемой раствором или пленкой электролита или коррозионной средой.

Щелевая и точечная (питтинговая) коррозия локализуется в определённых местах (в щелях, трещинах или стыках, ямках в металле), т. е. там, где задерживаются малые количества раствора, соприкасающегося с корродирующим металлом. Данные виды коррозии протекают достаточно быстро.

Межкристаллическая коррозия характеризуется локальными воздействиями на границах зерен ряда сплавов меди, хрома, никеля, алюминия, магния и цинка в результате неправильной термообработки или сварки. Продукты коррозии осаждаются в

6

образовавшихся локальных гальванических ячейках, что приводит к межкристаллической коррозии и существенному снижению прочности материала.

Избирательное выщелачивание представляет собой коррозионный процесс, в результате которого из сплава удаляется ка- кой-либо элемент. Примерами могут служить процессы обесцинкования латуни и графитизации чугуна.

Эрозионная коррозия возникает из-за воздействия абразивных веществ или потоков вязких материалов. Происходит химический процесс, при котором на поверхности материала постоянно в месте контакта с коррозионной средой обнажается свежий незащищенный материал.

В сосудах с горячей жидкостью часто наблюдается кавитационная коррозия, когда под действием пара образующиеся пузырьки и каверны в жидкости лопаются у поверхности стенки сосуда, в результате чего удаляются частицы материала и открывается доступ коррозионной среде к свежему, незащищенному материалу.

Коррозия может вызывать водородное повреждение. В результате воздействия водорода происходит разложение металла, водородное охрупчивание и обезуглероживание. Живые организмы в процессе поглощения ими пищи и выделения отходов в виде кислот и гидроокисей могут вызывать биологическую коррозию.

1.3. Виды износа

Износ является результатом удаления отдельных частиц материала с контактирующих поверхностей при их совместном движении, как правило, скользящем, относительно друг друга. Данный процесс приводит к постепенному изменению размеров деталей и приводит к негативным последствиям.

Механизм износа связан со сложным взаимодействием локальных сдвигов, вдавливаний, сваривания материала, разрывов и и других механизмов. Это сложный процесс, точнее даже ряд различных процессов, которые могут протекать как независимо, так и взаимосвязано. Различают несколько видов износа - адгезионный, поверхностный и деформационный.

7

Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных давлений, при этом наблюдается сваривание между собой шероховатостей поверхностей, при их относительном перемещении возникает пластическая деформация, локальные сцепления шероховатостей разрушаются, часть металла удаляется или переносится.

Абразивный износ связан с удалением частицы с поверхности в случае, когда неровности более твердой из контактирующих поверхностей или твердые частицы между поверхностями оказывают режущее или царапающее воздействие. Когда одновременно возникают условия как для адгезионного, так и для абразивного износа и коррозии, эти процессы взаимодействуют между собой и происходит коррозионный износ.

Поверхностный усталостный износ представляет собой изнашивание вращающихся или скользящих относительно друг друга криволинейных поверхностей. При этом в результате действия циклических касательных напряжений на небольшой глубине у поверхности возникают микротрещины, выходящие на поверхность, откалываются макрочастицы материала и на - по верхности образуются ямки.

В результате повторного пластического деформирования изнашиваемых поверхностей происходит образование сетки трещин, при их росте и объединении образуются частицы износа. Таким образом, появляется деформационный износ, который часто наблюдается при действии ударных нагрузок.

1.4. Разрушение при ударе

Разрушение при ударе происходит, когда в результате действия неустановившихся нагрузок в детали возникают такие напряжения или деформации, что деталь уже не в состоянии выполнить предназначенную ей функцию. Разрушение происходит в результате взаимодействия волн напряжений и деформаций, являющихся следствием динамического или внезапного приложения нагрузок.

Взаимодействие волн может приводить к возникновению локальных напряжений и деформаций, во много раз превышаю-

8

щих возникающие при статическом приложении тех же самых нагрузок. Разрыв при ударе происходит в случае больших напряжений и деформаций, он сопровождается разделением детали на две или более частей.

Деформирование при ударе связано с возникновением недопустимых упругих или пластических деформаций. Если при повторных ударах возникают циклические упругие деформации, в результате чего появляется сетка усталостных трещин, при росте которых наблюдается явление поверхностной усталости, то процесс называется ударным износом.

Если в результате малых относительных поперечных смещений двух поверхностей при ударе, которые могут вызываться поперечными деформациями или действием случайных малых боковых составляющих скоростей, происходит фреттинг, то разрушение называется ударным фреттингом.

Усталость при ударе наблюдается, когда разрушение происходит при повторном действии ударных нагрузок вследствие образования и распространения усталостных трещин. Фреттинг проявляется на поверхности контакта двух твердых тел, достаточно сильно прижатых друг к другу и совершающих относительно друг друга циклические движения малой амплитуды. Чаще всего фреттинг возникает в местах соединений, там, где движения не должно быть, но в результате действия вибрационных нагрузок или деформаций незначительные циклические смещения все-таки есть.

Обычно отколовшиеся при фреттинге частицы материала задерживаются между контактирующими поверхностями, поскольку относительные смещения их малы. Фреттинг-усталость представляет собой преждевременное усталостное разрушение детали машины, на которую действуют циклические нагрузки или деформации в условиях, способствующих фреттингу. Поверхностные повреждения и микротрещины, появляющиеся в результате фреттинга, играют роль зародышей усталостных трещин, в результате роста которых усталостное разрушение происходит при таких нагрузках, которые в других условиях не вызывали бы разрушения.

9

Фреттинг обычно встречается в местах соединений, не доступных для наблюдения, и часто приводит к внезапному катастрофическому усталостному разрушению. Фреттинг-усталость – очень опасный и коварный вид разрушения.

Фреттинг-износ наблюдается, когда изменения размеров плотно контактирующих деталей становятся недопустимо большими или такими, что появляются концентраторы напряжений и локальные напряжения превышают допустимый уровень.

1.5. Разрушение в результате ползучести

Такое явление возникает, если пластическая деформация элемента машины или конструкции, возникающая в результате действия напряжений и температуры в течение некоторого времени, приводит к изменениям размеров детали, после чего она не может удовлетворительно выполнять предназначенную ей функцию.

Процесс ползучести, как правило, можно разделить на три стадии:

-первичная ползучесть (неустановившаяся), во время которой скорость деформации уменьшается;

-вторичная ползучесть (установившаяся), во время которой скорость деформации практически постоянна;

-третичная ползучесть, при которой скорость деформации ползучести увеличивается (часто довольно быстро) вплоть до разрушения.

Термическая релаксация наблюдается, когда в процессе ползучести, приводящей к релаксации предварительно напряженной или деформированной детали, ее размеры изменяются так, что деталь уже не может выполнять предназначенной ей функции. Например, если предварительно напряженные болты сосуда давления, работающего в условиях высоких температур, релаксируют вследствие ползучести так, что нагрузка от максимального давления превышает предварительную нагрузку и герметичность соединения нарушается, говорят, что болты разрушаются вследствие термической релаксации.

Тепловой удар происходит, когда градиенты возникающего

вдетали температурного поля настолько велики, что вследствие

10