Локальные повреждения

Локальные пластические деформации, возникающие в области концентраторов напряжений могут снижать работоспособность элементов при динамическом нагруже-нии и отрицательных температурах. Поэтому проведены следующие опыты. На полосах квадратного поперечного

В окрестности трещиноподобных дефектов и конструктивных концентраторов напряжений возникают локальные пластические деформации. Область с пластической деформацией ограничивается радиусом гт, [17]. Деформации в пластической зоне распределены крайне неравномерно. Очевидно, что непосредственно в вершине трещины максимальные деформации не могут превысить величины, соответствующей истинному сопротивлению разрыву. Приближенно, предельную деформацию Б„Р можно определить по известному относительному сужению образца при разрыве \у по формуле:

Практически значения осст таковы, что дефекты и концентраторы вызывают локальные пластические деформации. В этом случае, степень превышения напряжений и деформаций оценивается коэффициентами концентрации пластических напряжений Ка и деформаций КЕ, которые рассчитываются на основании уравнения Нейбера:

Иногда практические значения аст в оборудовании таковы, что дефекты и концентраторы вызывают локальные пластические напряжения и деформации, которые могут привести даже к преждевременным отказам.

3.1. Наличие дефектов в стенке сосудов приводит к повышению уровня напряженности металла и, следовательно, снижению ресурса. Многие из дефектов вызываю! в металле локальные пластические деформации, усиливающие в соответствии с уравнением (1) скорость повреждаемости.

При переходе в пластическую область в реальных кристаллических телах возникают локальные пластические деформации, поэтому при анализе состояния вещества используют эффективный коэффициент Пуассона vefr, который изменяется вследствие как пластической деформации, так и накопления повреждений. Эффект поперечных деформаций отражает основное внутреннее свойство материала - самовоспроизвольно восстанавливать форму в результате ее изменения при внешнем взаимодействии, т.е. сохранять объем при деформации неизменным [19]. При исчерпании этой возможности, в локальном объеме

Наличие дефектов в стенке сосудов приводит к повышению уровня напряженности металла и, следовательно, снижению ресурсов. Многие из дефектов вызывают в металле локальные пластические деформации, усиливающие в соответствии с уравнением (4.1) скорость повреждаемости.

Пористость сварных швов является самым распространенным дефектом. При нагружении сварных соединений с порами вблизи контура последних имеет место значительная концентрация напряжений, которая вызывает локальные пластические деформации, часто приводящие к исчерпанию ресурса пластичности металла в данном месте и возникновению несгоюшностей в виде острых трещин.

При переходе в пластическую область в реальных кристаллических телах возникают локальные пластические деформации, поэтому при анализе состояния вещества используют эффективный коэффициент Пуассона УЙТ, который изменяется вследствие как пластической деформации, так и накопления повреждений. Эффект поперечных деформаций отражает основное внутреннее свойство материала - самовоспроизвольно восстанавливать форму в результате ее изменения при внешнем взаимодействии, т.е. сохранять объем при деформации неизменным [19]. При исчерпании этой возможности в локальном объеме происходит неравновесный фазовый переход. В упругой области сохранение постоянства объема при деформации контролируется коэффициентом Пуассона. Значение коэффициента Пуассона для металлов и неметаллов с высокой твер-

Пористость сварных швов является самым распространенным дефектом. При нагружении сварных соединений с порами вблизи контура последних имеет место значительная концентрация напряжений, которая вызывает локальные пластические деформации, часто приводящие к исчерпанию ресурса пластичности металла в данном месте и возникновению несплошностей в виде острых трещин.

Таким образом, изменение состава коррозионной среды в результате процессов электрохимического растворения титана и накопления продуктов коррозии может в определенных условиях активизировать анодный процесс. Если в результате пластической деформации в коррозионной среде создается активная поверхность металла с достаточно большой плотностью анодного тока, а геометрические размеры щели таковы, что отсутствует обмен внутрищелевого раствора с основной средой, могут сложиться условия, когда процесс коррозионного растрескивания будет спонтанно развиваться. Поэтому возможность конвекционного обмена внутрищелевого раствора с окружающей средой в значительной степени зависит от степени раскрытия трещины, которая определяется величиной ядра упруго-пластической деформации в вершине трещины и пропорциональна отношению (/С1с/<7т) 2. Так как раскрытие трещины является макро-характеристикой, косвенно отражающей локальные пластические деформации в ее вершине, у материала с большой предельной пластичностью наблюдается и большее раскрытие краев дефекта до образования трещины в вершине.

Оценку статической прочности цилиндрического элемента с коррозионной язвой рекомендуется определять следующим образом. Величину 2с необходимо принять за длину трещиноподобного дефекта t, a hK - за его глубину. Далее, на основании формулы (4.5) определить разрушающее окружное напряжение. Этот подход подтверждается при испытаниях труб с локальными повреждениями, имитирующими коррозионные язвы (рис.4.25). На этих трубах (из стали 20) локальные повреждения были нанесены механическим путем.

Усталостное разрушение является результатом многократно повторных быстро чередующихся упругих и пластических деформаций, распределяющихся в силу неоднородности материала неравномерно по объему детали. Первичные повреждения возникают в микрообъемах, неблагоприятно ориентированных относительно действию нагрузки, пред-напряженных остаточными напряжениями и ослабленных местными дефектами. Постепенно накапливаясь и суммируясь, локальные повреждения дают начало общему разрушению детали.

Оценку статической прочности цилиндрического элемента' с коррозионной язвой рекомендуется определять следующим образом. Величину 2с необходимо принять за длину трещиноподобного дефекта ?, a hK - за его глубину. Далее, на основании формулы (63) (см.раздел4) определить разрушающее окружное напряжение. Этот подход подтверждается при испытаниях труб с локальными повреждениями, имитирующими коррозионные язвы (рис. 13). На этих трубах (из стали 20) локальные повреждения были нанесены механическим путем.

3. Виды локальных повреждений поверхностей. Локальные повреждения, которые охватывают лишь отдельные участки поверхности, более трудно поддаются численной оценке. Часто в инструкциях по эксплуатации машин для решения вопроса о возможности дальнейшей работы детали указывается: «недопустимы риски на поверхности» или «не должно быть местных забоин и вмятин». Такие указания дают широкий простор для субъективного суждения о работоспособности изделия и приводят, как правило, к повышенным ремонтным расходам. Для локальных видов также необходима численная оценка степени повреждения, по которой можно судить о близости изделия к его предельному состоянию.

При различных процессах разъедания поверхностей также часто возникают локальные повреждения. Так* при коррозии (рис. 24, г) наблюдаются такие ее локальные виды, как коррозионное растрескивание, межкристаллитная, щелевая, контактная и питтинговая коррозия.

При изнашивании поверхностей наряду с распространением износа на всю поверхность трения наблюдаются его локальные виды, которые обычно относятся к недопустимым видам повреждений. Например, на тормозных барабанах наблюдаются риски (рис. 24, ж) как результат недостаточной защиты поверхности трения от загрязнения. В золотниковых и плунжерных парах гидросистем в результате схватывания, когда появляются молекулярные силы взаимодействия, возникают задиры в виде локальных разрушений поверхностей (рис. 24, з) [107]. Задиры могут проявляться и в виде единичных повреждений, когда имеет место лавинообразный процесс разрушения (рис. 24, и). Локальные повреждения, связанные с наростом материала, могут проявляться либо в зонах наиболее интенсивной напряженности изделия, как, например, у режущих кромок металлорежущего инструмента (рис. 24, к), либо при явлениях переноса металла (рис. V24, л). В ряде случаев .наблюдается налипание на работающую поверхность детали посторонних частиц (рис. 24, м).

Усталостное разрушение является результатом многократно повторных быстро чередующихся упругих и пластических деформаций, распределяющихся в силу неоднородности материала неравномерно по объему детали. Первичные повреждения возникают в микрообъемах, неблагоприятно ориентированных относительно действию нагрузки, пред-напряженных остаточными напряжениями и ослабленных местными дефектами. Постепенно накапливаясь и суммируясь, локальные повреждения дают начало общему разрушению детали.

Второй — отдельные локальные повреждения в виде очень глубоких кратеров (питтингов), у которых глубина соизмерима с диаметрам, а иногда и превышает его. Для таких пластичных материалов, как арм-кожелезо, никель ,и другие, внешний вид питтингов также имеет правильное очертание с явными признаками деформационного происхождения: наличие гребня выдавленного металла, появление линий скольжения вокруг питтинга. Отдельные питпииги достигают по -глубине 15—20 мкм, а по диаметру до 30—40 мкм. Таких локальных питтинговых повреждений значительно меньше, чем лункообразных вмятин. При продолжении испытаний количество и тех и других следов воздействия возрастает, а ранее возникшие остаются довольно длительное время неизменными, что говорит о том, что они образуются в результате энергетического воздействия при захлопывании единичных кавитационных пузырьков.

В обоих случаях жесткость материала уменьшается до 50—• 60% исходного значения после Ю6 циклов при уровне напряжений, составляющем около 65% прочности при сдвиге. Ими были испытаны образцы на воздухе, в минеральном масле и воде и было найдено, что масло практически не влияет на усталостные свойства испытываемых материалов, тогда как вода резко ухудшает их. Поверхностная обработка волокон практически не влияет на усталостную прочность материалов (рис. 2.71). В работах [145—147] проведены интенсивные исследования усталостной прочности при кручении цилиндрических стержней из материалов на основе высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон при ср/ = 0,60. Установлено, что при циклическом закручивании образцов на постоянный угол крутящий момент в начальный момент линейно уменьшается с увеличением числа циклов. В определенный критический момент происходит растрескивание образца, и кривая падает значительно более резко (рис. 2.72), так что за усталостную выносливость можно принять число циклов, при котором происходит растрескивание образца. По графической зависимости этого показателя от угла закручивания образца можно получить прямую линию, ^характеризующую усталостные свойства материала (рис. 2.73). Уже упоминалось, что локальные повреждения в стеклопластиках появляются при очень низких напряжениях по сравнению со статической прочностью. Мак-Гэрри [148] обнаружил непропорционально большое число повреждений,

Хрупкие трещины из-за провала длительной пластичности (локальные повреждения)

Термодинамический анализ системы led^O^J-HgO при темпе- i ратурах, превышающих температуру насыщения (340°С), показал, что локальные повреждения пассивирующей магнитной пленки возможны лишь при отклонении рН^, котловой воды в приповерхностном слое на микролокальном участке трубы (примерно порядка десятков см2) от регламентируемого значения до 7,3 ^ рН^, ё 4,5. Этот вывод подтвержден практикой: межкристаллитное растрескивание парогене-рирующих труб возникает как при попадании в воду потенциально кислых соединений, так и при коррекционной водообработке с использованием нелетучей щелочи. По первой причине ежегодно фиксируются десятки повреждений на ТЭС страны, в то время как по второй они единичны.