Исчерпания прочности

Из методов количественной оценки технологической прочности наибольшее распространение получил метод МВТУ им. Н. Э. Баумана, основанный на выше рассмотренной теории. Принципиальная сущность его заключается в деформировании испытуемого сварного шва, находящегося в т.и.х., с заданным темпом деформации вплоть до полного исчерпания пластичности. Показателем сопротивляемости образованию горячих трещин служит та максимальная скорость деформации, при которой трещина не возникает.

тий, в частности наличием пор и раковин. Влияние отмеченных дефектов на характер износа материалов можно рассматривать с двух позиций. Во-первых, поры и раковины, уменьшая живое сечение нанесенного слоя и являясь концентраторами локальных напряжений, способны существенно снизить прочностные свойства покрытий. Во-вторых, из-за особенностей микрорельефа, связанных с присутствием крупных поверхностных дефектов, изменяются условия изнашивания образцов. В каждой конкретной точке угол атаки абразива определяется размером и формой пор и раковин. Как правило, условия изнашивания образцов в районе поверхностных дефектов оказываются более 5кесткими, чем на бездефектных плоских участках. В результате влияния указанных факторов возможно интенсивное выкалывание крупных блоков покрытий, имеющих большую объемную долю крупных пор и раковин. Наибольшая скорость изнашивания образцов из стали 45 с твердостью HRB 91 получена при испытаниях с углом атаки, равным 60°. Исследованные покрытия интенсивнее изнашиваются при воздействии на образец потока частиц с углом атаки 90° (см. табл. 6.3). Следует отметить, что изменение угла атаки от 60° до 30° приводит к снижению скорости изнашивания стали 45 на 10%. Скорость изнашивания покрытий при этом уменьшается в 1,5—3 раза. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что применение указанных покрытий при углах атаки, превышающих 30°, нерационально. Выявленные закономерности связаны с тем, что твердость исследуемых покрытий выше твердости стали 45. Поэтому при больших углах атаки (60 и 90°) для исчерпания пластичности покрытий и создания на них наклепанного слоя, способного разрушаться, необходимо меньше времени, чем для исчерпания пластичности образцов из стали.

На рис. 56 приведены типичные кривые малоцикловой усталости сплава ОТ4, полученные при пульсирующем растяжении с частотой 2 цикл/мин. На участке I образцы не разрушаются, т.е. разрушение происходит или при статическом нагружении, или после числа циклов, соответствующих участку II. На участке II разрушение происходит вследствие исчерпания пластичности в результате протекающей здесь циклической ползучести. Предельная пластичность при разрушении f на этом участке равна или превышает таковую при статическом растяжении ест. Повышение предельной пластичности при разрушении вследствие циклической ползучести связано, вероятно, с меньшей неоднородностью деформации при циклическом нагружении по сравнению со статическим. Для участка III характерно усталостное разрушение, которое может происходить на фоне развитых односторонних деформаций (оп и Л/п — напряжения и соответствующие им долговечности, при которых происходит переход от квазистатического к усталостному разрушению). По виду кривые циклической ползучести при квазистатическом разрушении аналогичны кривым ползучести при статическом нагружении. Как и при статической ползучести, кривые циклической ползучести имеют

По мере накопления опытных данных становится все более очевидным то обстоятельство, что критерии термоусталостной прочности должны отражать основные особенности процесса на-гружения, протекающего с изменяющейся в цикле температурой и сопровождающегося исчерпанием ресурса пластичности материала тремя путями: в области rf=Anm (холодный Наклеп), в области ?=/тах (горячее пластическое деформирование) и при выдержке материала в области t=tm&K, когда в нем развиваются деформации ползучести. Деформационный критерий термоусталостной прочности должен отражать все три стороны процесса исчерпания пластичности. Обязательным условием является учет временного изменения характеристик пластичности и прочности. Необходимыми становятся исследования по изучению функций длительной пластичности материалов, полученных в условиях циклического нагрева, а также по кинетике циклических и накопленных деформаций в испытуемых образцах.

Нестабильность (скачок) трещины происходит в момент исчерпания пластичности в зоне деформации впереди у ее вершины. Это означает, что при определенных условиях внешнего прикладываемого нагружения (достижение порогового значения напряжения) процесс протекает самопроизвольно и на его развитие незначительно влияют внешние факторы. В этих условиях процессы пластической деформации и разрушения обладают свойством автомодельное™. Обнаружение начала нестабильно

Вязкое разрушение. Разрушение, которому предшествует значительная пластическая деформация, обычно считают вязким. Существуют различные представления о процессе вязкого разрушения: одни исследователи считают, что оно наступает в результате исчерпания пластичности, в этом случае критерий разрушения — критическая деформация; другие — вязкое разрушение объясняют наклепом материала впереди трещины, который достигает такой степени, что напряжение или деформация возрастают до значений, удовлетворяющих некоторому критерию разрушения.

тельно (см. табл. 2.8) при повышении температуры испытания и процесса накопления односторонних деформаций практически не происходит. В мембранной зоне циклическая ползучесть особенно выражена при максимальных температурах. В таких условиях зона разрушения определяется соотношением скоростей накопления квазистатических повреждений в мембранной зоне и усталостных в зоне концентрации напряжений. В мембранной зоне при максимальной температуре 700 С (см. рис. 2.68, а) превалируют эффекты циклической ползучести и разрушения имеют квазистатический характер. Аналогичные процессы протекают при температуре 600 °С (см. рис. 2.68, б), при которой разрушение происходит в мембранной зоне. Причем характер разрушения остается статическим, несмотря на то, что доля квазистатических повреждений уменьшилась. В этом случае долговечность увеличивается, а накопленная к моменту разрушения деформация уменьшается (эффект исчерпания пластичности материала и накопления усталост-

1. Конечные элементы и их сетка должны отражать ту особенность НДС, которая принята как критерий для оценки сравниваемых вариантов. Например, если необходимо оценку провести с позиций усталостной прочности в местах переходов швов к основному металлу или хрупких разрушений в этих зонах, то должны быть использованы конечные элементы типов, представленных на рис.5.2.14, с учетом рекомендаций, изложенных при обсуждении рис,5.2.15. Если же речь идет о более равномерной загрузке отдельных участков швов в сложном сварном соединении, позволяющей избежать преждевременного исчерпания пластичности швов, то в этом случае можно ограничиться представ-

тельно (см. табл. 2.8) при повышении температуры испытания и процесса накопления односторонних деформаций практически не происходит. В мембранной зоне циклическая ползучесть особенно выражена при максимальных температурах. В таких условиях зона разрушения определяется соотношением скоростей накопления квазистатических повреждений в мембранной зоне и усталостных в зоне концентрации напряжений. В мембранной зоне при максимальной температуре 700 °С (см. рис. 2.68, а) превалируют эффекты циклической ползучести и разрушения имеют квазистатический характер. Аналогичные процессы протекают при температуре 600 °С (см. рис. 2.68, б), при которой разрушение происходит в мембранной зоне. Причем характер разрушения остается статическим,несмотря на то, что доля квазистатических повреждений уменьшилась. В этом случае долговечность увеличивается, а накопленная к моменту разрушения деформация уменьшается (эффект исчерпания пластичности материала и накопления усталост-

Указанная трактовка является достаточно общей для характеристики предельного состояния, определяемого процессами накопления пластических деформаций и исчерпания пластичности при любом промежуточном режиме малоциклового неизотермического нагружения, вызывающего знакопеременность пластического течения, ползучесть и релаксацию напряжений.

Электронно-микроскопические исследования [35] показывают, что к моменту исчерпания пластичности в металлах образуются фрагменты, ширина которых близка к размеру ячеистой структуры, а длина на много порядков больше ширины. Поскольку образующиеся из порошков фрагменты являются объектами с более высоким уровнем запасенной энергии, чем исходные порошки, то они обладают повышенной способностью к схватыванию, особенно в процессе истирания, способствующего образованию ювенильных поверхностей. Это отвечает стадии III (рис. 180). Процесс сварки — способ диссипации энергии с локальным оттоком энтропии, позволяющий системе перейти в новое устойчивое состояние.

Анизотропия композита является следствием особенностей геометрии и особенностей термомеханических, деформативных и прочностных свойств компонент. Поэтому композит может иметь ряд плоскостей, в которых его свойства весьма низки и определяются в значительной степени микроструктурой. Местное разрушение происходит, как правило, по этим плоскостям. В ряде случаев такое разрушение смягчает концентрацию и уменьшает вероятность распространения трещины1), ведущей к разрушению. С другой стороны, появление ограниченных областей разрушения при низких уровнях напряжений не позволяет дать строгое определение тому, что же считать разрушением композита в целом. Поэтому анализировать разрушение композитов необходимо параллельно с позиций макро- и микромеханики. При использовании феноменологического подхода разрушение определяется по изменению макроповедения конструкции, проявляющемуся в виде потери устойчивости или исчерпания прочности. В микроподходе разрушением считают нарушение поверхности раздела волокно — матрица. Состояние разрушения наступает, когда около одного или группы микродефектов напряжения в волокне или матрице превышают соответствующие предельные значения.

Разрушение композита при сжатии, если исключить возможность потери устойчивости, происходит или от исчерпания прочности, или от местной потери устойчивости армирующих волокон. Интенсивные исследования разрушения волокнистых композитов вследствие выпучивания волокон выполнены Розеном [4], Шурчем [5] и проводятся в настоящее время Грещуком [б]1), Кулкарпи с сотр. [7] и Дэвисом [8]. Было обнаружено, что композитные системы из строго параллельных волокон большого диаметра, например волокон бора, разрушаются из-за сдвиговой микронеустойчивости композита на уровне армирующих элементов.

при растяжении. Начнем со стеклообразной области, внутри которой будем различать две подобласти. В первой из них при 0 < Т < Гхр разрушение происходит по схеме хрупкого исчерпания прочности (рис. 4.94, а).

Рассматриваются конструирование, расчеты и экспериментальные исследования сложных инженерных сооружений типа защитных оболочек АЭС, пространственных покрытий и дымовых труб. Приводятся данные о физико-механических свойствах некоторых материалов, применяемых в защитных сооружениях. Рассматриваются оригинальные конструкции пространственных покрытий, защитных оболочек АЭС и дымовых труб, примененные в отечественном строительстве и за рубежом. Дается анализ перераспределения усилий в процессе исчерпания прочности сооружения. Значительное внимание уделяется методике и результатам экспериментальной проверки конструкций и исследования их действительной работы.

В процессе исчерпания прочности зон защитных оболочек с патрубками ЭП первоначально образуются трещины в местах действия растягивающих усилий в бетоне оболочки, затем от сжатия разрушается бетон в местах концентрации напряжений, при этом патрубки проходок сплющиваются (рис. 1.13).

Влияние ЭП на несущую способность сечения. Возможны два случая исчерпания прочности участка сечения, занятого трубой ЭП. Если труба достаточно прочная, то разрушение должно наступить под трубой по бетону и, наоборот, если труба тонкая (не прочная), то разрушение наступит от исчерпания ее несущей способности. Условие равнопрочное™ стенок трубы и бетона под ней запишется выражением

Широкое развитие получили методы расчета прочности ОПГК. Предложения по оценке прочности гладких оболочек при равномерно распределенных нагрузках содержатся в работах [30—32]. Вопросы исчерпания прочности плиты цилиндрических панелей в системе покрытия рассмотрены в работах [30, 32—35]. Вопросам несущей способности ребристых покрытий при действии сосредоточенных сил посвящены исследования (25, 26, 33, 36, 37].

Как показывают исследования, плита оболочки в предельной стадии воспринимает не только изгибающие моменты (как это предполагается в работе [17]), но и нормальные силы. Неправильный учет работы плиты ведет к существенным расхождениям расчета с опытом. Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что разрушение оболочек в зависимости от прочностных характеристик их элементов при действии сосредоточенных сил может происходить по другим схемам. В исследованиях наблюдалось разрушение растянутой арматуры ребер в зоне отрицательных моментов, разрушение сжатой зоны ребер в зоне кольцевого шарнира, отрыв ребер от полки, продавливание бетона под силой и другие схемы исчерпания прочности оболочек.

В литературе рассматривается разрушение оболочек при исчерпании прочности сжатой зоны ребер. В соответствии с описанными выше результатами исследований можно выделить две схемы, при которых в предельной стадии разрушается часть оболочки, ограниченная кольцевой или эллиптической трещиной. При этом в одном случае разрушение ребер в зоне кольцевого шарнира происходит от исчерпания прочности сжатой зоны (первая схема), в другом — от исчерпания несущей способности растянутой арматуры ребер и примыкающих к нему участков полки (вторая схема) (рис. 3.37).

На рис. 3.47 представлены результаты расчета прочности модели при различной жесткости ребер. В частности, из рисунка видно, что при увеличении высоты ребер до 6 см (жесткость ребер увеличивается в три раза) более вероятным является разрушение модели от исчерпания прочности растянутой арматуры. Такое увеличение сечения ребер увеличивает несущую способность конструкции в 1,5—1,7 раза.

Вопросы прочности конструкций типа ОПГК из цилиндрических панелей изучались не только на моделях, но и на покрытиях в натуральную величину. Исследована оболочка ЦНИИП-ромзданий размером 12x24 м, которая разрушилась от исчерпания прочности полки цилиндрических панелей. НИИЖБом проведено изучение работы конструкции Ленпромстройпроекта на двух ячейках оболочек (2X12X18 м), сопряженных между собой, выполненных из цилиндрических панелей размером 3X12 м и арок диафрагм. Покрытие разрушено расчетным сочетанием нагрузок, а также сосредоточенными силами, приложенными в пересечении ребер. Кроме того, проведена проверка прочности трехволнового покрытия ПИ-1 размером 3x24x18 м в г. Вели-