Концентраторах напряжений

Наряду со случаями оощей и язвенной корро&ии в институте Бзт-теля была предложена модель развития разрушения МТ имеищих концентраторы напряжения в виде поверхностных или оквоэных трещин. При это», была проведана серия испытаний труб с нанесенными дефектами. Модель базируется да линейной механике разрушения. Критический коэффициент интенсивности напряжения К1с о учетом геометрии трубы (корректирующий фактор Фолиаса) и пластичности трубной стали описывается следующим соотногэнием:

Как известно, усталостные разрушения начинаются в зоне наибольшего напряжения с образования трещины на поверхности или на небольшой глубине ослабленного сечения (надрезы, отверстия, риски или другие концентраторы напряжения). Разрушение от статического растяжения обычно вызывает сокращение площади поперечного сечения образца вблизи места разрушения. Усталостное разрушение образца заметного сокращения площади его поперечного сечения практически не вызывает. Поверхность усталостного излома, как правило, имеет две зоны: собственно усталостного разрушения и окончательного разрушения (долома). Зоны усталостного излома по внешнему виду поверхности обычно характеризуются мелкозернистостью структуры металла и нали-

Особенно интенсивно происходит двойникование в металлах с ограниченным числом систем скольжения. При этом, создавая мощные концентраторы напряжения, двойникование инициирует, например, в ГПУ-металлах скольжение по дополнительным призматическим и пирамидальным системам, что приводит к существенному повышению пластичности [5, 17]. В некоторых ориентировках монокристаллов с ГПУ-решеткой двойникование вообще является доминирующим механизмом пластической деформации [5, 18]. В ОЦК-металлах концентраторы напряжений у вершин двойников и высока» скорость протекания процесса двойникования способствуют раскрытию трещин и соответственно хрупкому разрушению металлов [9, 19] „ ограничивая таким образом их низкотемпературную пластичность.

ются достаточно распространенными дефектами, которые снижают период зарождения трещины, в результате чего большая часть долговечности приходится на рост усталостной трещины. Они представляют собой концентраторы напряжения, которые могут приводить к зарождению усталостной трещины с первых циклов приложения нагрузки. Испытания плоских образцов 3,2x25,4x229 мм с центральным отверстием 4,75 мм из алюминиевого сплава 7050-Т7451 показали, что существенное рассеивание долговечности было связано с наличием в материале литейных дефектов в виде несплошностей различных размеров и геометрии [103]. Были рассмотрены варианты расположения дефектов в середине концентратора и на краях с геометрией полу- и четверть эллипса. Разработанный алгоритм численного определения долговечности на основе подходов механики разрушения путем расчета периода роста трещины от дефектов показал удовлетворительное совпадение результатов расчета с наблюдаемой долговечностью вплоть до 5- 105 циклов. При большей длительности циклического нагружения до разрушения период роста трещины был существенно меньше долговечности. В случае сопоставления закономерности снижения долговечности от площади поверхностного и уголкового начального дефекта с разной формой их границы при уровне напряжения 138 МПа и асимметрии цикла R=0,l выявлено, что угловые формы дефектов оказывают более существенное влияние на рассматриваемую закономерность. Поэтому уравнение (1.18) следует рассматривать с меняющимся показателем, степени Qg, который зависит от формы и расположения начального дефекта в элементе конструкции,

является их высокая напряженность в области малоцикловой усталости. В этом случае концентраторы напряжения, как и различия в состоянии материала, играют второстепенную роль по сравнению с общей, высокой напряженностью дисков в сечении зарождения и распространения усталостных трещин в эксплуатации.

согласуется с результатами определения длительности роста усталостных трещин (см. § 12.4, стр. 643) и расчетными данными по напряженности лонжеронов лопастей. При сопоставлении уровня эквивалентного напряжения для близких сечений с относительным радиусом 0,7 и 0,71 видно, что отличие уровня напряжений для верхней и нижней стенок лонжерона, где реализован рост трещин, составляет почти 1,5 раза. Причем оба разрушения были реализованы от концентраторов напряжения. Если же зарождение трещин будет происходить без вносимых концентраторов напряжения, то тогда следует ожидать опережающего зарождения усталостной трещины в нижней стенке лонжерона, где реализуется большая напряженность. Так же, как и применительно к другим сечениям лонжерона, расположенным на других относительных радиусах, зарождение усталостных трещин в рассматриваемых сечениях происходит в процессе эксплуатации только потому, что в них возникли дополнительные (непредусмотренные расчетом на прочность) концентраторы напряжения. Все это позволяет дать общее представление о нагруженное™ и повреждаемости лонжеронов лопастей в эксплуатации.

Разрушение материала — весьма сложный процесс, даже в случае идеализированного макроскопически однородного изотропного материала. Начало разрушения зависит от присущих материалу свойств (таких, как молекулярная и зернистая структура), от геометрии структуры и ее локальных характеристик (таких, как трещины и концентраторы напряжения) и от последовательности воздействия внешних нагрузок (т. е. механических, тепловых, химических и др.). Современный аппарат математики и физики для установления связи между этими факторами имеет ограниченные точность и сферу применения.

димости осуществления электрохимической защиты до образования трещины, в крайнем случае при наличии еще неглубоких поражений достаточного поперечного размера. В противном случае электрохимическая защита бесполезна и даже может оказаться вредной, так как появится возможность для роста отдельных глубоких трещин и приостановится рост массы мелких трещин, которые оказывали бы благоприятное разгружающее действие на более опасные концентраторы напряжения в виде наиболее глубоких трещин.

При таких значениях электрохимических параметров критическая глубина защиты для трещин реальных размеров весьма невелика, вследствие чего электрохимическая защита достаточно углубившегося питтинга или трещины приведет лишь к некоторой защите устья, но не остановит коррозионного процесса в вершине. Отсюда следует практический вывод о необходимости осуществления электрохимической защиты до образования трещины, в крайнем случае при наличии еще неглубоких поражений достаточного поперечного размера. В противном случае электрохимическая защита бесполезна и даже может оказаться вредной, так как появится возможность для роста отдельных глубоких трещин и приостановится рост массы мелких трещин, которые оказывали бы благоприятное разгружающее действие на более опасные концентраторы напряжения в виде наиболее глубоких трещин.

конструктивные концентраторы напряжения, обусловленные наличием сварного шва и видом сварного соединения; дефекты и специальные концентраторы; типы и марки используемых основных и присадочных материалов, история их предварительной или последующей после изготовления конструкции обработки (например, предварительная пластическая деформация стали, виды и режимы горячей и холодной обработки стали, термическая обработка материалов и соединений, дробеструйный наклеп, аргонодуговая обработка соединения, плавление кромок металла шва и другие).

При сварке в условиях низких температур увеличивается скорость остывания металла сварочной ванны и околошовной зоны; создаются условия для увлажнения кромок основного материала, сварочных материалов и технологической оснастки. Если конструкция находится в условиях низких температур после сварки без вылеживания, то возникает опасность появления хрупкой трещины вследствие повышенного содержания водорода в металле шва. Дефекты сварки при низких температурах могут служить очагами хрупкого разрушения; в случае сварки при положительных температурах они обычно устраняются и уже не действуют как концентраторы напряжения.

Вместе с тем можно отметить, что эти методы могут быть использованы для предварительной сравнительной оценки различных сталей использующихся для изготовления конструкций, отдельные конструктивные элементы которых подвергаются жесткому, циклически изменяющемуся нагружению, вызывающему в концентраторах напряжений малоцикловую коррозионную усталость (например, магистральные нефтепроводы).

В процессе изготовления конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей на заготовительных операциях и при сварке в зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. Попадая при наложении последующих швов под сварочный нагрев до температур около 300° С, эти зоны становятся участками деформационного старения, приводящего к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и возможному возникновению трещин, особенно при низких температурах или в концентраторах напряжений.

Как отмечалось ранее, разрушения делят на хрупкие и вязкие. Промежуточным между ними является квазихрупкое разрушение, как наиболее часто встречающееся в реальных условиях эксплуатации конструкций. Заметим, что хрупкие разрушения реализуются не только в (природно) хрупких материалах. При определенных условиях пластичные стали могут разрушаться по механизму хрупкого разрушения в результате действия ряда охрупчивающих факторов, которые можно разделить на три основные группы: механические (большая жесткость конструкции и напряженного состояния, локальное стеснение деформаций в дефектах и концентраторах напряжений, механическая неоднородность, скорость нагружения и цикличность); внешняя среда (коррозия, радиация, низкая температура); структурные изменения (деформационное старение, распад метастабильных фаз и др.).

riu: :•(>. Обр;10оп;]нно нормальных а и касательных т напряжений в случае приложения uwibi /' к площадке F (с] и эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений (6\; о~н — номинальное (среднее) напряжение (показано штри* хиной липнем); аи — максимальные напряжения

1) механические факторы, обусловленные большой жесткостью конструкции и напряженного состояния, локальное стеснение деформаций в дефектах и концентраторах напряжений, механическая неоднородность в виде мягких и твердых хрупких участков, скорость нагружения и цикличность;

величины приложенного напряжения (деформации) а частоты (скорости) нагружения. Обычно такие условия наиболее часто возникают пои малоцикловой усталости, когда величины локально приложенных (а концентраторах напряжений) деформаций лежат в упругоплвсти-ческой области, частота нагрукения не превышает 50 циклов в ми-куту, а усталостная долговечность локит в пределах I04...I05 циклов. Установлено, что скорость деформирования лря малощшшвой усталости примерно ь 30 раз меньше, чем ери многоцикловой (частота нагружена более 50 циклов в минуту, напряжения не превышают предела упругости). При больших скоростях нагрунения трещины усталости растут так быстро, что среда не успевает проникать в cyci-мияродефекты в зоне предразрушения (впереди растущей трещины) и

Концентрация напряжений обусловлена наличием шпоночного паза и прессовой посадкой зубчатого колеса. При двух (и более) концентраторах напряжений учитывают один из них — тот, для которого больше отношение К.01Ка и К-г/Ка-

В процессе нагружения испытаний пробным давлением в отдельных участках конструктивных элементов (концентраторах напряжений, сварных соединениях, дефектах и др.)

Метод испытания с жестким нагружением получил в настоящее время наибольшее распространение, т.к. такое нагружение имеет место в концентраторах напряжений. Результаты испытаний при жестком нагружении представляют в виде зависимости: размах или амплитуда в виде циклической деформации Де (с! от числа циклов

Продолжительность инкубационного периода связана с временем, необходимым для образования оксидных пленок критической толщины. Термоциклирование, связанное со снижением температуры до 20°С, приводит к появлению низкотемпературных пленок в местах дефектов, а также к обратимости водородной хрупкости. Рост оксидных пленок в концентраторах напряжений способствует возникновению в пленках контактных напряжений сжатия, исключающих появление трещин.

Изменение поля напряжений у вершины усталостной трещины при нагружении по отнулевому циклу сжатия. При знакопостоянном цикле напряжений сжатия развитие трещины в концентраторах напряжений происходит в полуцикле разгрузки под действием образовавшихся в полуцикле нагружения остаточных напряжений растяжения. Если сжимающие напряжения от внешнего нагружения превосходят предел текучести, образуя пластически деформированную зону у вершины концентратора, то при разгрузке в этой зоне возникают остаточные напряжения растяжения. В связи с этим при нагружении образца или детали по знакопостоянному циклу сжатия в вершине концентратора реально осуществляется знакопеременный цикл напряжений, сжимающая часть которого определяется внешней нагрузкой, а растягивающая — остаточными напряжениями. При возникновении и развитии усталостной трещины, как показал Л. Хаббард, пластическая зона у вершины концентратора не меняется, а остаточные напряжения растяжения у вершины трещины уменьшаются no-мере ее роста. Таким образом, амплитуда действительного цикла напряжений в вершине трещины уменьшается, вызывая замедление скорости ее роста и остановку. Так, при исследовании развития усталостных трещин в алюминиевом сплаве с высоким пределом текучести в условиях сжатия на плоских образцах с центральным отверстием было показано, что с увеличением длины трещины по мере прохождения ее через пластическую зону скорость роста трещины непрерывно уменьшается.