Анизотропии прочности

Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентировку (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т. д.)1. Кристаллографическую текстуру не следует отождествлять с волокнистой структурой, волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств.

Напряжения второго рода возникают вследствие неоднородности кристаллического строения и различия физико-механических свойств фаз и структур сплавов. Фазы, например в черных металлах, феррит, аустенит, цементит, графит обладают различной кристаллической решеткой; их плотность, прочность и упругость, теплопроводность, теплоемкость, характеристики теплового расширения различные. Структуры, представляющие собой смесь фаз, например перлит в сталях, а также закалочные структуры, в свою очередь, обладают отличными от смежных структур свойствами. Различие кристаллической ориентации зерен металла обусловливает анизотропию физико-механических свойств микрообъемов металла. В результате совместного действия этих факторов возникают внутри-зеренные и межзеренные напряжения еще в процессе первичной кристаллизации и при последующих превращениях во время охлаждения. При высоких температурах напряжения уравновешиваются благодаря пластичности материала. Однако они проявляются в низкотемпературной области, возникая при фазовой перекристаллизации1 и выпадении вторичных и третичных фаз (фазовый наклеп), при каждом. общем или местном повышении температуры (из-за различия теплопроводности и коэффициентов линейного расширения структурных составляющих), приложении внешних нагрузок (из-за различия и анизотропии механических свойств), а также 'при наклепе, наступающем в результате общего или местного перехода напряжений за предел текучести материала.

Преобразователи для контроля анизотропии механических и электрофизических свойств металлов. Одной из важнейших характеристик современных металлов и сплавов, во многом определяющей их механические и физические свойства, является степень совершенства кристаллографической текстуры, под которой понимается преимущественная пространственная ориентация зерен в поликристалле. Текстура, обусловливая анизотропию свойств, обеспечивает избирательно в различных направлениях повышение пластичности, прочности, модуля упругости, магнитных свойств, стойкости металлических покрытий против коррозии и т. д. Создание в материалах совершенной кристаллографической текстуры является в ряде случаев одним из путей повышения их эксплуатационных характеристик. Для этого исследователям и специалистам-практикам необходимы методы и средства для получения сведений о типе и степени совершенства кристаллографической текстуры. Другой не менее важный аспект необходимости измерения анизотропии физических, свойств металлов, обусловивший рождение на свет разнообразных конструкций датчиков, вызван необходимостью определения механических остаточных напряжений в деталях машин и механизмов, элементах строительных конструкций и т. д., выполненных из различных марок конструкционных сталей. Для этих целей используется явление магнитоупругого эффекта, под которым в общем случае принято понимать изменение магнитных свойств материала под воздействием механических напряжений. Измерив изменение величины или характера анизотропии магнитных свойств, можно, используя градуи-ровочные кривые зависимости магнитных свойств исследуемого материала от величины механических напряжений, судить об их наличии в металле, а иногда и оценить их величину [50].

Преобразователи для контроля анизотропии механических и электрофизических свойств металлов. Одной из важнейших характеристик современных металлов и сплавов, во многом определяющей их механические и физические свойства, является степень совершенства кристаллографической текстуры, под которой понимается преимущественная пространственная ориентация зерен в поликристалле. Текстура, обусловливая анизотропию свойств, обеспечивает избирательно в различных направлениях повышение пластичности, прочности, модуля упругости, магнитных свойств, стойкости металлических покрытий против коррозии и т. д. Создание в материалах совершенной кристаллографической текстуры является в ряде случаев одним из путей повышения их эксплуатационных характеристик. Для этого исследователям и специалистам-практикам необходимы методы и средства для получения сведений о типе и степени совершенства кристаллографической текстуры. Другой не менее важный аспект необходимости измерения анизотропии физических свойств металлов, обусловивший рождение на свет разнообразных конструкций датчиков, вызван необходимостью определения механических остаточных напряжений в деталях машин и механизмов, элементах строительных конструкций и т. д., выполненных из различных марок конструкционных сталей. Для этих целей используется явление магнитоупругого эффекта, под которым в общем случае принято понимать изменение магнитных свойств материала под воздействием механических напряжений. Измерив изменение величины или характера анизотропии магнитных свойств, можно, используя градуи-ровочные кривые зависимости магнитных свойств исследуемого материала от величины механических напряжений, судить об их наличии в металле, а иногда и оценить их величину [50].

Получаемая в результате ТМО предпочтительная ориентация кристаллов мартенсита также оказывает определенное влияние, проявляющееся в анизотропии механических свойств [111, 112, 121]. Так, испытания образцов стали 4340, упрочненных с помощью НТМО и вырезанных в продольном и поперечном направлениях, показали, что ориентация образцов, не оказывая заметного влияния на прочностные свойства (аь и as) существенно влияет на характеристики пластичности: относи-

Металлы, применяемые на практике, имеют поликристаллическое строение, и затухание волн в них предопределяется двумя основными факторами: рефракцией и рассеянием ультразвука вследствие анизотропии механических свойств металла. В результате рефракции фронт ультразвуковой волны отклоняется от прямолинейного направления распространения и амплитуда принимаемых сигналов резко падает. Помимо рефракции волна, падающая на границу кристаллов (зерен), испытывает частичное отражение, преломление ультразвука и трансформацию, что и определяет механизм рассеяния. Рассеяние в отличие от рефракции приводит не только к ослаблению сигнала, но и образованию

Анизотропия металла. В настоящее время практически во всех нормативных документах на УЗК сварных соединений его параметры выбираются без учета анизотропии свойств, что в ряде случаев, в частности при контроле стыков труб большого диаметра, приводит к погрешностям результатов контроля. Вследствие анизотропии механических свойств заметно изменяются ско-

В осевой зоне уже при уковах 2—3 полностью складывается волокнистое строение. В зоне же столбчатых кристаллитов ориентированная структура появляется при уковах больше 8-кратных. Все это приводит к анизотропии механических свойств в поковке. С ростом укова прочностные свойства металла поковки изменяются незначительно в обоих направлениях, пластические же свойства в продольном направлении возрастают, а в поперечном уменьшаются (табл. 19).

В стали, предназначенной для штамповки, нежелательна остающаяся иногда после прокатки в той или иной степени полосчатость структуры, так как ориентированная структура приводит к анизотропии механических свойств листов и ленты и понижает их вытяжные свойства. Соотношение осей отдельных зерен не должно превышать 1,4—1,5.

Наилучшие характеристики жаропрочности имеют стали, не содержащие структурно-свободного 6-феррита. Наличие большего количества его (>20—30%) способствует резкому падению ударной вязкости и жаропрочности. Наличие б-феррита вредно еще и тем, что он является причиной анизотропии механических свойств, сильного охрупчивания стали и ухудшения жаропрочных свойств. Однако наличие б-феррита не всегда является причиной понижения жаропрочности, так как жаропрочные свойства зависят от легирования и процессов, протекающих в сталях при работе их под нагрузкой (величины зерна, коагуляции частиц и др.).

Отжиг выше температуры рекристаллизации ухудшает технологические свойства материала, вызывает увеличение степени анизотропии механических свойств (табл. 2). Так, лист толщиной 1,0 мм, отожженный при 1250° С, имеет относительное удлинение 19—27% вдоль направления про-

21. Ашкенази Е. К., К вопросу об анизотропии прочности конструкционных материалов, ЖТФ АН СССР, 29, вып. 3 (1959).

24. Ашкенази Е. К., Вопросы анизотропии прочности, Механика полимеров, 2, 79—92 (1965).

Таким образом, для описания анизотропии прочности экспериментально необходимо определить только три значения а (а0; 090; а45) и два значения прочности при сдвиге (т0 и т4В). Следует отметить, что на основании многочисленных экспериментов установлена хорошая сходимость экспериментальных и рассчитанных по формулам (2.5), (2.6) значений прочности [4, 8, 38]. По-видимому, следует ожидать хорошего совпадения с опытом в отношении и других физических характеристик, рассчитанных по аналогии с формулами (2.5) и (2.6).

Для неразрушающего контроля прочности изделий из композиционных материалов, по-видимому, оптимальным будет такой критерий прочности, который можно выразить через показатели анизотропии прочности, а данные показатели, в свою очередь,— через соответствующие показатели анизотропии каких-либо физических параметров (например, через скорость продольных или сдвиговых волн, диэлектрическую проницаемость, коэффициент теплопроводности и т. д.), определяемых непосредственно в изделии в разных структурных направлениях без их разрушения.

При известных значениях степени анизотропии прочности данная формула может быть переписана следующим образом:

В результате экспериментов было установлено, что наиболее оптимальной является скорость распространения упругих волн. Тогда степень анизотропии прочности может быть выражена через степень анизотропии скорости продольных волн следующим образом:

Сущность метода неразрушающего контроля прочности изделий заключается в подобии степени анизотропии прочности и скорости распространения упругих волн. При этом степень анизотропии прочности можно представить следующим выражением:

Таблица 4.11. Экспериментальные значения степени анизотропии прочности и скорости ультразвука композиционных полимерных материалов

Критерий прочности в форме полинома четвертой степени в общем виде не удобен для целей неразрушающего контроля прочности изделия. Были произведены соответствующие преобразования, позволившие представить указанный критерий в форме, удовлетворяющей требованиям неразрушающего контроля (табл. 2.9). Для определения прочности изделия при сложном напряженном состоянии необходимо знание следующих параметров: предела прочности композиционного материала в направлении армирования 00; структурных коэффициентов степени анизотропии прочности в направлении осей упругой симметрии — а — = апо/(Т0 и под углом 45° к ним b•— сг45/ст0, а также соотношения между прочностью при сдвиге и прочностью при растяжении (сжатии), с == т0/ст0; геометрических параметров изделия, например, для труб толщина 8 и диаметр D, а для конических изделий также угол при вершине конуса ос.

Параметры структурных коэффициентов анизотропии прочности а и b могут быть определены неразрушающим методом экспериментально при известных значениях коэффициента ра и скоростей распространения упругих волн вдоль направления армирования и под углом 45° к ним.

или выражаются в ином виде [например, (3.59)1. Здесь также требуется дополнительное условие разрушений типа (3.60), представляющее некоторую зависимость между инвариантами тензора повреждений или непосредственно между главными компонентами этого тензора. Однако ни теоретические соображения, ни известные экспериментальные данные не указывают на то, что введение тензора повреждений является обязательным. Как в случае изотропии, так и при наличии анизотропии прочности для описания-экспериментальных результатов обыкновенно удается использовать скалярное выражение меры повреждений. При этом в случае изотропии вводится некоторое приведенное напряжение в функции инвариантов тензора напряжений, при наличии анизотропии прочности — в функции шести составляющих напряжений в главных осях анизотропии. Таким образом, уравнения (3.2), (3.8), (3.14) в случае сложного напряженного состояния сохраняют свою прежнюю форму при новом выражении приведенного напряжения. Например,