Исследований поведения

Большинство результатов исследований, посвященных изучению особенностей наступления предельного состояния материалов оболочковых конструкций в условиях их двухосного нагружения, сводится к построению критериев их разрушения в условных напряжениях на основании полученных данных о максимальных нагрузках и наи-болы51их равномерных деформациях. Последние, как правило, определяют в результате испытания трубчатых образцов при одновременном действии внутреннего давления и осевой силы, обеспечивающем различные ва-рианты двухосности напряженного состояния в стенке моделирующих трубчатых образцов /46, 53, 61, 82/. Обобщение результатов данных исследований позволило установить наиболее важные закономерности, лежащие в основе построения критерия потери устойчивости пластического деформирования сварных оболочковых конструкций В частности, авторами данных исследований отмечается, что наступление предельного состояния оболочковых конструкций проявляется либо в виде местного сужения, либо в виде выпучивания. В первом случае процесс обусловлен локализацией пластических деформаций, во втором — наступлением общего неустойчивого состояния конструкции. Отметим,

Структурно-энергетический анализ упрочняющих факторов сделал возможным научное обобщение многочисленных исследований, посвященных вопросам повышения прочности конструкционных материалов. Две следующие главы настоящей книги посвящены рассмотрению механико-термической и термомеханической обработок, используемых для повышения жаро-

Большинство результатов исследований, посвященных изучению особенностей наступления предельного состояния материалов оболочковых конструкций в условиях их двухосного нагружения, сводится к построению критериев их разрушения в условных напряжениях на основании полученных данных о максимальных нагрузках и наибольших равномерных деформациях. Последние, как правило, определяют в результате испытания трубчатых образцов при одновременном действии внутреннего давления и осевой силы, обеспечивающем различные ва-рианты двухосности напряженного состояния в стенке моделирующих трубчатых образцов /46, 53, 61, 82/. Обобщение результатов данных исследований позволило установить наиболее важные закономерности, лежащие в основе построения критерия потери устойчивости пластического деформирования сварных оболочковых конструкций. В частности, авторами данных исследований отмечается, что наступление предельного состояния оболочковых конструкций проявляется либо в виде местного сужения, либо в виде выпучивания. В первом случае процесс обусловлен локализацией пластических деформаций, во втором — наступлением общего неустойчивого состояния конструкции. Отметим,

К середине XIX в. в России выросла плеяда талантливых ученых, заложивших основы современной теории механизмов и машин. Основателем русской школы этой науки был великий математик акад. П. Л. Чебышев (1821—1894 гг.), которому принадлежит ряд оригинальных исследований, посвященных синтезу механизмов, теории регуляторов и зубчатых зацеплений, структуре плоских механизмов. Он создал схемы свыше 40 различных механизмов и большое количество их модификаций. Акад. И. А. Вышнеградский явился основателем теории автоматического регулирования; его работы в этой области нашли достойного продолжателя в лице выдающегося русского ученого проф. Н. Е. Жуковского, а также словацкого инженера А. Стодолы и английского физика Д. Максвелла. Н. Е. Жуковскому — отцу русской авиации — принадлежит также ряд работ, посвященных решению задачи динамики машин (теорема о жестком рычаге), исследованию распределения давления между витками резьбы винта и гайки, трения смазочного слоя между шипом и подшипником, выполненных им в соавторстве с акад. С. А. Чаплыгиным и др. Глубокие исследования в области теории смазочного слоя, а также по ременным передачам выполнены почетным академиком Н, П. Петровым. В 1886 г. проф. П. К. Худяков заложил научные основы курса деталей машин. Ученик И. А. Вы-шнеградского проф. В. Л. Кирпичев известен как автор графических методов исследований статики и кинематики механизмов. Он первым начал читать (в Петербургском технологическом институте) курс деталей машин как самостоятельную дисциплину и издал в 1898 г. первый учебник под тем же названием. В его популярной до сих пор книге «Беседы о механике» решены задачи равновесия сил, действующих в стержневых механизмах, динамики машин и др. Выдающийся советский ученый проф. Н. И. Мерцалов дал новые оригинальные решения задач кинематики и динамики механизмов. В 1914 г. он написал труд «Динамика механизмов», который явился первым систематическим курсом в этой области. Н. И. Мерцалов первым начал исследовать пространственные механизмы. Акад. В. П. Горячкин провел фундаментальные исследования в области теории сельскохозяйственных машин.

лов. Кратко изложены некоторые вопросы теории упругости анизотропного тела. .Один из разделов посвящен анализу обобщенного закона Гука, свойствам симметрии и ограничениям, накладываемым на упругие постоянные. Приведены некоторые простые примеры, иллюстрирующие различия в поведении изотропных и анизотропных тел. Отмечается, что трудности, возникающие при описании композиционных материалов, армированных волокнами, связаны с анизотропными свойствами этих материалов. Представлен подробный вывод основного уравнения задачи Сен-Венана о кручении анизотропного тела, имеющего плоскость упругой симметрии. Это уравнение используется далее при различных методах решения. Рассмотрены примеры, характерные для композиционных материалов. Выведено основное уравнение плоской задачи для анизотропного тела, обладающего плоскостью упругой симметрии. Особое внимание уделено анализу предположений, на которых основывается описание различных форм плоской деформации. Обсуждены результаты большого количества исследований, посвященных вопросам концентрации напряжений.

В главе 4 представлен подробный обзор исследований, посвященных статике, устойчивости и динамике пластин из композиционных материалов. Рассмотрены феноменологические соотношения упругости для пластин из однонаправленных композиционных материалов, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, матрицы жесткости для тонких слоистых пластин, теории малых и больших прогибов тонких пластин, толстые слоистые и трехслойные плиты. Для всех типов пластин приведены основные гипотезы, теоретические соотношения, подробно рассмотрены различные частные случаи. Анализ дан в предположении, что материал линейно упругий и установлены случаи, для которых это предположение нарушается.

В главе 10 представлен достаточно полный обзор исследований, посвященных анализу напряженного состояния в окрестности линий возмущения, краевых зон и узлов соединения. В качестве источников возмущения рассмотрены макро- и микроструктурные нарушения сплошности материала. Установлено, что краевые эффекты зависят от порядка чередования слоев и являются существенными, если расстояние от свободного края не превышает толщины пакета. Исследована эффективность клеевых соединений и показано, что нелинейный анализ позволяет достаточно точно предсказать прочность таких соединений. Представлен обзор экспериментальных результатов, определяющих поведение типовых механических соединений. Поскольку особенности напряженного состояния в окрестности линий возмущения и краевых зон, с одной стороны, и узлов соединений — с другой, отчасти аналогичны, объединение разделов, посвященных этим вопросам, в одной главе представляется естественным.

Примером б'езмоментных оболочек являются сосуды, изготовленные методом намотки. Расчет таких конструкций основан на нитяной модели материала, согласно которой внутреннее давление и силы, приложенные по краям оболочки, воспринимаются армирующими волокнами и вызывают в них только растягивающие напряжения. Такие конструкции и методы их расчета рассмотрены в работах Рида [67], Росато и Грове [&8], Шульца [75]. Современные методы расчета сосудов давления и корпусов двигателей изготовленных методом намотки [24, 42], учитывают изгиб оболочки, вызванный соответствующим характером нагру-жения, а также несимметрией распределения геометрических параметров или упругих свойств материала по толщине. Изгиб-ные напряжения, предсказываемые в этом случае теорией малых деформаций, могут оказаться значительными. Однако рассматриваемые оболочки обычно деформируются таким образом, что в процессе нагружещш остаются безмоментными. На безмоментной теории, предусматривающей большие деформации системы, основан метод определения равновесных форм армированных оболочек. Обзор исследований, посвященных оптимизации безмомент-ных оболочек из композиционных материалов, приведен в работе By [901*.

Кратко изложены некоторые вопросы теории упругости анизотропного тела. Один из разделов посвящен анализу обобщенного закона Гука, свойствам симметрии и ограничениям, накладываемым на упругие постоянные. Приведены некоторые простые примеры, иллюстрирующие различия в поведении изотропных и анизотропных тел. Отмечается, что трудности, возникающие при описании композиционных материалов, армированных волокнами, связаны с анизотропными свойствами этих материалов. Представлен подробный вывод основного уравнения задачи Сен-Венана о кручении анизотропного тела, имеющего плоскость упругой симметрии. Это уравнение используется далее при различных методах решения. Рассмотрены примеры, характерные для композиционных материалов. Выведено основное уравнение плоской задачи для анизотропного тела, обладающего плоскостью упругой симметрии. Особое внимание уделено анализу предположений, на которых основывается описание различных форм плоской деформации. Обсуждены результаты большого количества исследований, посвященных вопросам концентрации напряжений.

В главе 4 представлен подробный обзор исследований, посвященных статике, устойчивости и динамике пластин из композиционных материалов. Рассмотрены феноменологические соотношения упругости для пластин из однонаправленных композиционных материалов, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, матрицы жесткости для тонких слоистых пластин, теории малых и больших прогибов тонких пластин, толстые слоистые и трехслойные плиты. Для всех типов пластин приведены основные гипотезы, теоретические соотношения, подробно рассмотрены различные частные случаи. Анализ дан в предположении, что материал линейно упругий, и установлены случаи, для которых это предположение нарушается.

В главе 10 представлен достаточно полный обзор исследований, посвященных анализу напряженного состояния в окрестности линий возмущения, краевых зон и узлов соединений. В качестве источников возмущения рассмотрены макро- и микроструктурные нарушения сплошности материала. Установлено, что краевые эффекты зависят от порядка чередования слоев и являются существенными, если расстояние от свободного края не превышает толщины пакета. Исследована эффективность клеевых соединений и показано, что нелинейный анализ позволяет достаточно точно предсказать прочность таких соединений. Представлен обзор экспериментальных результатов, определяющих поведение типовых механических соединений; отмечен недостаточный объем исследований в этой области. Поскольку особенности напряженного состояния в окрестности линий возмущения и краевых зон, с одной стороны, и узлов соединений, с другой, отчасти аналогичны, объединение разделов, посвященных этим вопросам, в одной главе представляется естественным.

По результатам исследований поведения металла при циклических нагрузках установлено, что его разрушение связано с пластической деформацией, развивающейся в течение достаточно большого числа циклов нагружения. При этом величина пластической деформации за один цикл нагружения (особенно в случае материалов на основе железа) может соответствовать величинам,соизмеримым с микродеформацией в отдельных областях металла. Пластическая микродеформация материала происходит, когда возникшие в материале напряжения меньше, чем его макроскопический предел текучести, наблюдаемый при испытании на растяжение [73].

По результатам исследований поведения металла при циклических нагрузках установлено, что его разрушение связано с пластической деформацией, развивающейся в течение достаточно большого числа циклов нагружения. При этом величина пластической деформации за один цикл нагружения (особенно в случае материалов на основе железа) может соответствовать величинам, соизмеримым с микродеформацией в отдельных областях металла. Пластическая микродеформация материала происходит, когда возникшие в материале напряжения меньше, чем его макроскопический предел текучести, наблюдаемый при испытании на растяжение [73].

Применительно к титановым сплавам, для которых весьма актуально рассмотрение влияния частоты нагружения и температуры на скорость роста трещины, необходимо иметь в виду две ситуации. Первая ситуация связана с отсутствием чувствительности материала к условиям его нагружения при снижении частоты нагружения и введении выдержки под нагрузкой; вторая — с существованием такого влияния, что наиболее важно для оценки поведения титановых сплавов в условиях эксплуатации. Эта вторая ситуация неотделима от формы цикла и состояния материала, поэтому этот вид разрушения титановых сплавов целиком рассмотрен в следующем параграфе. В этом параграфе представлены результаты исследований поведения сплавов при разных частотах нагружения и температуре испытания.

(al,a-,,a3), не отражающего всех особенностей работы металла в условиях эксплуатации конструкций. Следовательно, прогнозировать влияние того или иного вида напряженного состояния на работоспособность материала приходится на основании очень ограниченной информации. Восполнить этот пробел позволяет привлечение для анализа некоторых экспериментально установленных фактов и представлений о поведении материала в экстремальных точках пространства напряжений. Например, результаты многочисленных исследований поведения материалов в условиях всестороннего давления, а также известные представления о роли межатомных сил связи в процессе разрушения позволяют предположить, что либо при всестороннем равном сжатии разрушение вообще невозможно, либо для развития повреждений в этих условиях требуется гораздо больше усилий, чем при всестороннем равном растяжении. Следует также иметь в виду экспериментально установленный факт: в ряде случаев, особенно если исследуемый материал имеет пониженную пластичность, в области двухосных растяжений (ст[>0; <т2>0; <т3=0) сопротивление разрушению меньше, чем при одноосном растяжении, например, испытания [86] стали Х18Н9Т и углеродистой стали при отрицательной температуре [87].

В книге рассмотрены технические средства тепловой микроскопии, создание и использование новых приборов и установок. Приведены некоторые результаты исследований поведения конструкционных материалов в условиях различных видов механического нагруже-ния в вакууме и защитных газовых средах при температурах ниже 0° С и при нагреве.

В настоящей главе приведены результаты экспериментальных исследований поведения материала при нагружении плоской волной; для ряда материалов изучено влияние интенсивности волны на характеристики сжимаемости и сопротивление материала сдвигу; проанализировано затухание упругого предвестника волны и его связи с изменением коэффициента вязкости материала; проведено сопоставление результатов с данными квазистатических испытаний.

В бинарных сплавах Ni—Fe наблюдается уменьшение склонности к индуцированным водородом потерям пластичности по мере возрастания содержания железа [108, 109], особенно в интервале 20—50% Fe. Этот эффект интересен в сравнении с поведением сплавов, содержащих 20—30% Fe в дополнение к 20% Сг. Подобные тройные сплавы Ni—Сг—Fe, к числу которых относятся, например, Ни-о-нель, Инколой 800 и Инколой 804, подвержен-ны КР в некоторых средах [241, 262, 265—268], причем при определенных обстоятельствах их стойкость к КР оказывается ниже, чем у сплавов на основе системы Ni—20 Сг [241]. Более того, последовательное замещение Fe на Ni при переходе от Инколой 800 (33% Ni) к Инколой 825 (42% Ni) и Инконель 625 (61% Ni) сопровождается возрастанием стойкости сплава к КР [66, 67, 241, 267, 269]. Разрушения вследствие КР могут, однако, происходить во всех перечисленных сплавах, а на сплавы Монель 625 и Хастел-лой X, как было показано, отрицательно влияет также и водород при высоком давлении [39, 84, 122, 270]. В отсутствие систематических исследований поведения железа, можно предположить, что оно оказывает отрицательное воздействие на тройные и более сложные системы, обусловленное, в частности, еще не изученными синергитическими эффектами, которые подавляют поведение, свойственное Fe в бинарных сплавах. Следует, однако, также учитывать, что сплавы 800, 804, 825 (и даже 625) могли быть состарены с образованием упрочняющей 7'-Фазы (см- ниже). Такая возможность вытекает из представленных в табл. 7 составов сплавов. В некоторых из упомянутых выше работ нет данных о термической предыстории исследованных материалов и поэтому микроструктура сплавов неизвестна. Следовательно, сравнение подобных сплавов с такими, в которых у'-фаза не образуется (в частности, Инконель 600 и Хастеллой X), может быть неправомочным. По-видимому, в этой области нужны дальнейшие исследования при соответствующем контроле однофазной структуры.

На рис. 11-28 приведена общая схема установки для коррозионных и электрохимических исследований поведения металлических

Одно из исследований поведения золы жидкого топлива, содержавшей 68% У205, 14,1% N320 и 2,2% К20, показало, что в окислительной атмосфере, имеющей некоторое количество 802, У2О5 обладает способностью прилипать при температуре 670° С, а эта зола прилипает уже при 480° С. Это наглядно показывает роль щелочей в таких процессах.

По последним данным [56], углепластики, по-видимому, превосходят стеклопластики по стойкости к циклическим нагрузкам. Стойкость к ударным нагрузкам [24] требует внимательного рассмотрения. Необходимо еще изучить способы смягчения их кратковременного воздействия на структуру углепластиков. Влияние крупномасштабных судовых пожаров на сохранение структурной целостности алюминиевых конструкций уже привлекло пристальное внимание, которое следует перенести на применение новых конструкционных материалов. Нет необходимости говорить о том, что результаты исследований поведения этих материалов в ближайшие годы определят будущее использования таких материалов в строительстве военно-морских судов.

Термопласты, наполненные ПТФЭ. Наиболее высокими антифрикционными показателями обладают композиции на основе полиформальдегида и его сополимеров, наполненных ПТФЭ. Промышленностью выпускается полиформальдегид, содержащий около 20% (об.) волокон из ПТФЭ, и сополимер формальдегида, наполненный порошкообразным ПТФЭ. Оба типа материалов обладают близкими антифрикционными свойствами. Введение ПТФЭ способствует увеличению сопротивления износу почти в 4 раза, а также уменьшению коэффициента трения и скольжения — прилипания. Результаты систематических исследований поведения при истирании такого рода композиций и их анализ приводятся в работе Кара [5]. Им было выведено корреляционное уравнение, позволяющее оценивать износостойкость композиций на основе сополимеров формальдегида и ПТФЭ в зависимости от приложенной нагрузки, длины пути трения, а также модуля упругости и поверхностной энергии материалов. Введение в уравнение величины поверхностной энергии и хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных позволяют оценить роль адгезии в процессе износа полимеров.