Концентраторами напряжения

чести, тем более что, по нашим наблюдениям, очаги растрескивания, как правило, не связаны с имеющимися на поверхности труб концентраторами напряжений, в которых последние могут превысить предел текучести стали.

Таким образом, КР [1, 3, 23, 29] может быть описано в рамках модели, основанной на специфическом воздействии на металл труб карбонат-бикарбонатной среды, образующейся при катодной поляризации, локализации токов анодного растворения при одновременном воздействии растягивающих механических напряжений (эксплуатационного и остаточного происхождений). При этом кар-бонат-бикарбонатная среда в присутствии кислорода, с одной стороны, пассивирует поверхность стали, тем самым защищая ее от коррозии, с другой — при определенных режимах катодной поляризации инициирует возникновение анодного тока, приводящего к протеканию локальных коррозионных процессов. При этом коррозионному воздействию, в первую очередь, подвергаются границы зерен сталей, которые, во-первых, являются концентраторами напряжений, a, Bo-BTOpHXj еще до приложения механических нагрузок служат очагами активного развития коррозии за счет обогащения какими-либо (как правило, углеродом) элементами, а также в связи с их повышенной дефектонасыщенностью. Поэтому в УГНТУ были проведены лабораторные электрохимические исследования причин возникновения анодного тока с количественной оценкой его величины. Исследования выполнялись путем снятия потенциодинамических поляризационных кривых и показали, что действительно в определенных областях наложенных потенциалов поляризации возникают анодные токи, вызывающие электрохимическое растворение металла в полости трещины.

Дефекты строения и несплошности являются концентраторами напряжений, т. е. по краям дефекта напряжения могут значительно отличаться от среднего (а брутто), как показано на рис. 49. Концентрация напряжения (К) тем больше, чем острее дефект (сравни рис. 49, а — в) и больше его длина (сравни рис. 49, б, г), что выражается следующей формулой:

Влияние азота, кислорода и водорода. Эти элементы присутствуют в сплавах или в составе хрупких неметаллических включений, например оксидов FeO, SiO2, A12O;), нитридов Fe4N, или в свободном состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Неметаллические включения служат концентраторами напряжений и могут понизить механические свойства (прочность, пластичность).

Критерий ткр широко применяется для пластических материалов с малым деформационным упрочнением (для идеально-пластического металла). При значительном упрочнении металла оценку предельного состояния моделей производят на основе неустойчивости пластических деформаций. Установив функциональную зависимость с учетом характера деформационного упрочнения и используя условие неустойчивости, находят критические силовые и геометрические параметры. Заметим, что найденные таким образом критические параметры не являются характеристиками разрушения, а лишь отвечают моменту перехода из устойчивого (равномерного) пластического деформирования в неустойчивое (неравномерное). Тем не менее результаты анализа неустойчивости деформаций находят широкое применение для оценки несущей способности конструкций и полезны при исследовании разрушения материалов, моделей и конструкций с концентраторами напряжений при статическом и малоцикловом нагружении, в частности, моделей с трещинами.

Крепление деталей при помощи пружинных колец (рис. 3.12, л) может воспринимать значительные осевые нагрузки, но меньшие, чем распорные втулки. Недостатком такого соединения является отсутствие осевого поджатия — деталь ie всегда может быть зафиксирована в осевом направлении. В необходимых случаях между кольцом и ступицей устанавливают специальную шайбу, которую подбирают по величине зазора. Канавки также являются концентраторами напряжений, поэтому колща лучше использовать на концах валов, где напряжения невелики. Размеры пружинных колец и канавок для них приведены в табл, 5.45.

4. При повышенных требованиях к шероховатости резко возрастает стоимость обработки изделия. В случаях, когда шероховатость поверхности и точность размере>в не зависят друг от друга (это относится к свободным, несопряп емым поверхностям), назначение повышенных параметров шерохо $атости неоправдано. Однако если несопр.ягаемые поверхности являются геометрическими концентраторами напряжений, с целью повышения усталостной прочности деталей необходимо существенно повышать требования к шероховатости этих поверхностей.

, фрезеро- Нерабочие торцы зубчатых растачива- колес и другие несопрягающиеся поверхности колес, шли-цевых валов, втулок, поверхности канавок, не являющиеся концентраторами напряжений. Шейки валов i 1-го квалитета 0

Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектов металла (металлургического, технологическое!) или эксплуатационного происхождения), сквозных отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению и т. д. приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рис. 26, б). В связи с этим такие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений. Пик напряжений «т,, тем больше, чем меньше радиус г концентратора напряжения и чем больше глубина надреза с: ст„ = 2onl/c/r, где а„ — номинальное (среднее) напряжение.

а) свойства, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений (например, окислов FeO, SiO.2, A1.,O3, нитридов Fe4N и др.), как твердые растворы или в свободном виде; они располагаются в дефектных участках металла (раковинах, трещинах и др.). Примеси внедрения (азот, кислород), концентрируясь в зернограничных объемах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (оксиды, нитриды, частицы шлаков и т. п.), являясь концентраторами напряжений, могут сильно понизить, если они присутствуют в значительных количествах или располагаются в виде скоплений, предел выносливости и вязкость разрушения t(lc.

На рисунке 3.5.3 приведены зависимости амплитуд гармонических составляющих сигнала электромагнитного преобразователя от приложенной нагрузки при растяжении цилиндрических образцов с концентраторами напряжения до полного разрушения.

На рисунке 3.5.3 приведены зависимости амплитуд гармонических составляющих сигнала электромагнитного преобразователя от приложенной нагрузки при растяжении цилиндрических образцов с концентраторами напряжения до полного разрушения.

На рис. 95 представлена зависимость предела выносливости надрезанных образцов от временного сопротивления сплавов. Для построения графика использовали результаты отечественных и зарубежных исследований. Отечественные данные получены при испытании образцов с острым надрезом; теоретический коэффициент концентрации, вычисленный по Нейберу, был равен 2,8-гЗ,43. Зарубежные данные получены при ат = 2,64 -г4,0. Результаты испытаний укладываются в довольно узкую пологу разброса. Это дало основание некоторым исследователям [92, 93] пр_,оложить устойчивое соотношение между временным сопротивлением и усталостной прочностью образцов с концентраторами напряжения. '

личными концентраторами напряжения показали, что полученные данные экспериментов могут быть описаны уравнением [106]

новых дисков на момент их разрушения в эксплуатации или обнаружения в них усталостных трещин показывает, что в общем случае имеют место три пика интенсивности отказов (рис. 9.2). Первый пик при наименьшей наработке дисков связан с наличием в их материале различных дефектов технологического производства (как правило, газонасыщенной фазы), которые являются концентраторами напряжения и резко снижают долговечность. Второй пик указывает на разрушения тех дисков, материал которых проявляет чувствительность к условиям их эксплуатации (к выдержке под нагрузкой и/или высокой асимметрии цикла). Последний пик интенсивности разрушений отсутствует на гистограммах из-за того, что он еще не достигнут в процессе эксплуатации. Он будет отражать долговечность наибольшего числа находящихся в эксплуатации дисков, которые изготовлены из бездефектного материала, нечувствительного к условиям реализуемого нагружения в эксплуатации.

с поверхности электроэрозионным способом в процессе ремонта двигателя. Технологический процесс обеспечивает стабильность снятия нагара и восстановление поверхности диска, однако в некоторых случаях между диском и электродами возникает электроискровой разряд, который создает на поверхности отверстия, через которое проходит вал двигателя, локальные неглубокие эрозионные каверны. Они имеют не только развитую шероховатую поверхность, но от них в материал диска распространяются трещины на глубину в несколько десятых долей миллиметра (рис. 10.12). Создаваемые трещины являются концентраторами напряжения. Возникающая дополнительная концентрация нагрузки в центральном отверстии под вал ротора от повреждений ставила вопрос об оценке возможности эксплуатации дисков с повреждениями в пределах существующего межремонтного ресурса. Последнее связано с тем, что возникающие повреждения могут быть пропущены при ремонте после снятия нагара. Длительность эксплуатации между ремонтами составляла 6000 ч.

Для характеристики усталостной прочности материалов при наличии концентраторов напряжений важно знать абсолютные значения пределов выносливости образцов с концентраторами напряжений, так как они близки к пределам выносливости натурных деталей. Кроме того, следует отметить, что нельзя отрицательно оценивать материал только на том основании, что ему присущ высокий коэффициент чувствительности к надрезу, так как при этом он может иметь высокий абсолютный уровень усталостной прочности при наличии концентратора напряжений. При испытаниях образцов с концентраторами напряжения при приложении достаточно высокой растягивающей нагрузки можно вызвать пластическую деформацию у вершины надреза, и в опасном сечении нагружение фактически будет идти по знакопеременному циклу, поскольку при разгрузке до Pmin у основания надреза возникают остаточные напряжения сжатия.

Рис. 65. Рабочая часть образцов с концентраторами напряжения для испытания на усталость:

Влияние напряжений на коррозию многократно усиливается в местах резких изменений геометрической формы поверхности, являющихся концентраторами напряжения (сварные соединения, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т. п.), что вызывает неравномерность коррозии и ее локализацию. В результате этого может возникнуть коррозионная усталость металла, характеризующаяся развитием коррозионного процесса в вершине корро-зионно-механической трещины, приводящей к разрушению. Факты подтверждают коррозионно-усталостную природу возникновения трещин при разрушениях на ряде нефтепроводов [166].

При испытаниях на усталость цилиндрических образцов из железа (0,01 % С; 0,01 % Si; 0,28% Мп; 0,02% Си; 0,009 % Р; 0,01 % S) диаметром 6 мм с острыми концентраторами напряжения (г = 0,1-^-0,2 мм) были обнаружены нераспространяющиеся усталостные трещины длиной около 100 мкм при напряжениях несколько ниже предела выносливости этого материала [19]. Отжиг при температуре 700 °С образцов железа, имеющих нераспространяющиеся трещины, привел к дальнейшему росту этих трещин. Исследования дислокационной структуры в области вершины трещины показали большую плотность дислокаций в этом месте, соответствующую деформаци-онно-упрочненному материалу. Отжиг в значительной степени уменьшает плотность дислокационной структуры, устраняя тем самым препятствие для дальнейшего роста трещины.

Серия микрофотографий, снятых с поверхности образца стали ОХ18Н10Ш в процессе нагружения и отражающих развитие структурных изменений при малоцикловой усталости, представлена на рис. 1. Четкие, легко различимые полосы скольжения появляются уже на ранних стадиях испытания (рис. 1, а, б). В дальнейшем число таких полос скольжения, полос сдвига и двойников увеличивается и они захватывают новые зерна образца (рис. 1, в), приводя к упрочнению материала, в связи с чем ширина петли гистерезиса уменьшается. Картина в общем аналогична наблюдаемой при статическом деформировании, когда увеличение действующего напряжения и деформации активизирует все большее число плоскостей скольжения, что приводит к заметному упрочнению стали. Возникающие полосы скольжения являются устойчивыми и не удаляются при слабой полировке поверхности образца. Карбидное травление образца стали ОХ18Н10Ш после разрушения показало, что в зоне магистральной трещины скапливаются карбидные частицы, которые служат локальными концентраторами напряжения (рис. 1, г) и приводят к появлению микротре-щин.