Механическое разрушение

Т и п II. Движущиеся неустойчивые трещины Это рост трещины, который происходит при постоянных внешних силах, в некоторых объемах тела механическое равновесие не сохраняется. "Самопроизвольный" рост трещины (при постоянных внешних силах) - результат отсутствия механического равновесия. Каждое из промежуточных состояний при росте трещины является термодинамически и механически неравновесным. Трещина растет до тех пор, пока система не придет к состоянию механического и термодинамического равновесия, т.е. к полному разрушению тела, или к достижению длины, соответствующей устойчивому механическому равновесию при данных значениях внешних сил.

Устойчивое (а), неустойчивое (б) и безразличное (в) механическое равновесие

Состояние термодинамической системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние изолированной термодинамической системы характеризуется постоянством по всему объему, занимаемому системой, таких параметров, как давление (механическое равновесие) и температура (термическое равновесие). В неизолированной системе равновесное

Уравнение состояния pv = RT справедливо только для равновесного состояния газа, при котором температура и давление одинаковы по всей его массе. Если газ не изолирован от внешней среды, необходимыми условиями равновесного состояния являются равенство давлений (механическое равновесие) и температур (термическое равновесие) газа с окружающей средой.

тепловое и механическое равновесие как следствие отсутствия изменения средних кинети-

В случае термодинамического равновесия двухфазной среды ее внутренняя энергия равномерно распределена между различными ее видами. Например, внутреннюю энергию влажного пара можно представить как сумму энергий поступательного, колебательного и вращательного движения молекул, находящихся как в паровой, так и в жидкой фазе, а также энергию поступательного, колебательного и вращательного движения жидких капель. При постоянной температуре все эти виды энергии находятся в состоянии динамического равновесия. При распространении с волной возмущения звукового импульса, который по существу представляет собой подвод или отвод некоторого количества энергии поступательного движения молекул среды-носителя, происходит постепенное перераспределение этой дополнительной энергии по всем видам энергии, из которых складывается внутренняя энергия двухфазной системы. Процесс энергообмена происходит до тех пор, пока в системе вновь не восстановится термодинамическое и механическое равновесие фаз. Фундаментальной гипотезой релаксационного рассмотрения процессов является положение о конечности промежутка времени перехода в равновесное состояние. С ростом частоты волны, когда период возмущений становится соизмерим с временем релаксации, избыточная энергия поступательного движения молекул будет все в меньшей степени передаваться дискретной фазе и скорость звука будет возрастать, стремясь к ее значению в среде-носителе. На скорость распространения звука в двухфазной среде влияет ее структура постольку, поскольку она оказывает влияние на характер протекания в среде трех названных выше процессов релаксации.

Выше были рассмотрены условия равновесия двухфазной системы без учета капиллярных сил. Механическое равновесие сводилось к требованию равенства давлений фаз. Это возможно только при плоской поверхности раздела между фазами.

Обязательным условием равновесного состояния газа является равенство в давлениях и температурах между газам и внешней средой, окружающей газ. Если, например, во внешней среде хотя бы незначительно изменится давление, то сейчас же нарушится равновесное состояние газа (его механическое равновесие): во всем объеме газа начнется выравнивание давлений до изменившегося давления внешней среды. Газ, проходя последовательно и постепенно ряд неравновесных состояний, придег опять в равновесное состояние, но уже в новое, с давлением, равным новому давлению окружающей среды. Подобное же нарушение равновесного состояния газа (его термического "равновесия) произойдет и в случае изменения на конечную величину температуры внешней среды, окружающей газ.

В уравнении (2.40) предполагается, что термическое и механическое равновесие установилось, а диффузионное еще не достигнуто.

Механическое равновесие в задаче о стационарных движениях определяется независимо от определения токов, которые входят в (41) просто как параметры. Но при исследовании устойчивости следует учитывать, что при движении системы токи и координаты должны определяться совместно (так как рассматриваем не устойчивость равновесия под действием сил, зависящих от параметров, а устойчивость стационарного движения). Тем не менее оказывается, что для устойчивости такого движения необходимо и достаточно, чтобы было устойчиво механическое равновесие при неварьируемых токах, т. е. токи можно считать параметрами и при исследовании устойчивости (доказательство см. в работе [17]). Этот вывод упрощает исследование устойчивости и позволяет судить о ней по изменению решений при изменении токов.

Тип II. Движущиеся неустойчивые трещины. Это такой рост трещины, который происходит при постоянных внешних силах, причем в некоторых объемах тела механическое равновесие не сохраняется. «Самопроизвольный» рост трещины (при постоянных внешних силах) является результатом отсутствия механического равновесия. Каждое из промежуточных состояний при росте трещины является термодинамически и механически неравновесным, и трещина растет до тех пор, пока система не придет к состоянию механического и термодинамического равновесия, т. е. либо до полного разрушения тела, либо до достижения длины, соответствующей устойчивому механическому равновесию при данных внешних силах. Возможны три случая — изотермический, адиабатический и политропический.

ции сильфона на этих же наиболее нагруженных участках за счет геометрической концентрации напряжений могут создаваться уп-ругопластические деформации, которые, суммируясь с остаточными, в присутствии коррозионной среды вызывают его коррозионно-механическое разрушение, происходящее путем распространения коррозионно-механических трещин в окружном направлении. Кроме того, основные физико-механические свойства материалов, применяемых для изготовления сильфонов УЧЭ (повышенные прочность и хрупкость при весьма малом запасе пластичности), делают их склонными к коррозионному растрескиванию, особенно з присутствии таких коррозионно-агрессивных агентов, как сероводород, углекислота и хлориды.

Одновременное воздействие на металл коррозионных сред и механических напряжений вызывает коррозионно-механическое разрушение оборудования, связанное с проявлением взаимосопряженных механохимических явлений. Помимо рассмотренных, наиболее опасных для магистральных трубопроводов видов КМР, таких, как КР и МКУ, следует остановиться на их разрушении в виде общей коррозии, ускоренной воздействием механических напряжений (механохимическая коррозия). Вследствие коррозии стенок сосудов давления и соответствующего их утонения происходит увеличение кольцевых растягивающих напряжений. Согласно теоретическим представлениям механохимии металлов, это вызывает рост скорости коррозии и еще большее утонение стенок. В связи с зтим прогнозирование долговечности сосудов давления, базирующееся на предпосылке постоянства скорости коррозии в течение установленного ресурса, дает изначально завышенное ее значение. Поэтому для реальной оценки долговечности необходимо проанализировать изменение кольцевых напряжений в стенке трубы, связав это изменение с интенсивностью коррозионного воздействия. Впервые подобный подход был реализован в [36]. Однако полученные при этом расчетные зависимости оказываются неудобными для практического использования. Кроме того, предложенный подход не учитывал того факта, что механохимические явления начинают существенно проявляться при напряжениях, превышающих предел текучести стали. Последнее на реальных конструкциях. эксплуатирующихся на общем фоне упругих напряжений и деформаций. может быть достигнуто только в концентраторах напряжения, где и реализуются условия для протекания механохи-мической коррозии.

Все эти напряжения могут вызывать механическое разрушение защитных пленок на металлах с соответствующим ухудшением или полной потерей их защитных свойств. Это вносит значительные осложнения в простейшие законы окисления металлов (рис. 47) и часто приводит к замене диффузионного контроля процесса окисления металла диффузионно-кинетическим или кинетическим контролем, т. е. к переходу от окисления металла по

Разрушение материалов неорганического происхождения иногда имеет место вследствие пористости материала. Разрушение пористых материалов вызывается в основном возникновением is материале напряжений вследствие кристаллизации в порах солеи, отложения в них продуктов коррозии или вследствие замерзания в порах воды. При полном заполнении объема пор и вследствие отсутствия возможности расширения механическое разрушение материала неизбежно. Так, при температуре перехода воды в лед, т.е. при 0е С, плотность воды равна 0,99987 Л1;;/л;:1, а плотность чистого льда при 0° С равна (),91(>9 Me/At3. Из этих данных следует, что при замерзании воды ее объем увеличивается на 9%.

Коррозионное растрескивание оценивается по времени до разрушения образцов, выдерживаемых в среде под нагрузкой, и величине напряжений, при которых начинается коррозионно-механическое разрушение. Повышение сопротивляемости сварных соединений коррозионному разрушению основано на использовании общих (как и для основного металла) и специальных методов.

В природных пресных водах значение рН обычно слишком велико для сколько-нибудь заметного выделения водорода, поэтому на скорость коррозии в первую очередь влияет скорость движения воды, доставляющей кислород к поверхности металла. При высокой скорости потока к поверхности металла поступает количество кислорода достаточное для частичной пассивации. Если это происходит, то скорость коррозии после начального подъема снова снижается (рис. 6.8). Если бы скорость движения воды увеличивалась и дальше, то механическое разрушение пассивной пленки или пленки продуктов коррозии вызвало бы дальнейшее возрастание скорости коррозии. Первый максимум скорости коррозии, предшествующий пассивации, наблюдается при скорости потока, зависящей от шероховатости поверхности металла и от примесей в воде. В присутствии ионов С1~ в высокой

Сероводород может вызывать как значительную общую коррозию, так и локальное коррозионно-механическое разрушение - коррозионное растрескивание металла, работающего под механическим напряжением. Причём последнее разрушение, получившее название сульфидного растрескивания, наиболее опасно, поскольку развивается нео-

Коррозионно-механическое разрушение

Коррозионно-механическое разрушение металлов происходит при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений. Основные виды коррозионно-механического разрушения металлов: коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, фреттинг-коррозия, коррозионная эрозия, кавитация, сульфидное растрескивание, водородное охрупчивание.

Выбор математической модели для критерия разрушения: можно начать с выделения параметров возбуждения и отклика, который необходимо исследовать. В этой математической модели отклик — механическое разрушение — должен быть связан с механическим возбуждением. Механическое разрушение здесь интерпретируется как любое наблюдаемое изменение механического поведения. В качестве представляющих технический интерес примеров таких изменений можно назвать предел пропорциональности на кривой напряжение — деформация, появление остаточных деформаций, конечную точку на кривой напряжение — деформация, соответствующую разрыву образца.

— головного импульса 373 Механическое разрушение 409 Микромеханика 13, 14 Микроскопический (подход) 66 Микрофотоупругие исследования 520 Мода 397