Одноосного напряжения

Для более углубленного исследования механизма развития коррозионных язв, являющихся,по мнению многих исследователей, источником зарождения трещин, ч УГНТУ было проведено изучение образования яз;. на плоских образцах из стали 17Г1С, частиш .^ покрытых пленочной изоляцией, в4 условиях одноосного нагружения величиной 0,9 бт в КБС (1н. Ыэ2СОэ + 1н. МаНСОз). Время экспоз-дии составляло 2000 часов, а величина наложенного потенциала - минус 1,0 В (ХСЭ). температура в электрохимической ячейке изменялась по режиму 60° С - *2 часов, 20° С - 12 часов. Через 100 часов экспозиции на свободной от изолирующей пленки поверхности было обнаружено равномерное подтравливание стали, аналогичное наблюдаемому в очаговых зонах разрешения МГ по причине КР, а через 1000 часов -глубокие гэвы. При этом под отслоившейся изоляцией наблюдалось подтравливание стали, аналогичное наблюдаемому при 100-часовой экспозиции. Во всех случаях травление стали происходило вдоль текстуры прокатки. Внутри коррозионных язв обнаружены отложения солей угольной кислоты белого цвета. При дальнейшей экспозиции область язвенной коррозии покрывалась черной пленкой магнетита и развитие язв прекращалось. Однако на соседних участках под отслоившейся изоляцией былэ обнаружено травление стали и продукты коррозии бурого цвета. Наблюдаемое постепенно затухающее развитие коррозионных язв и блуждающий характер их возникновения могут объяснить имеищ.л место в большинстве случаев неэначш^тъную глубину яев в очаговых зонах разрушения МГ по причине КР.

Основные проблемы на данном этапе расчетов связаны с оценкой величины контактного упрочнения мягких прослоек. Это обусловлено тем, что существующие до настоящего времени расчетные методики по определению Кк, как правило, разработаны для случая одноосного нагружения оболочковых конструкций (п = 0,5 и п = 1,0), не позволяющих оценить общий случай их нагружения (п = О...1,0).

8.1. Эффекты взаимодействия нагрузок на переходных режимах нестационарного одноосного нагружения....................................................................................................... 401

одноосного нагружения путем изгиба, растяжения или изгиба с вращением образцов. Однако тензометрирование в полете воздушных судов гражданской авиации [12] указывает на существенную роль двухосного напряженного состояния с переменным соотношением компонент главных напряжений от одного этапа полета к другому. Может одновременно меняться частота, форма цикла, температура окружающей среды и прочее. Следовательно, в эксплуатационных условиях необходимо осуществлять управление ростом трещин в условиях многокомпонентного или многопараметрического воздействия. Реакция материала на это воздействие в виде скачка трещины в цикле нагружения становится интегральной характеристикой энергетических затрат в условиях многопараметрического воздействия. Перейти в такой ситуации от информации о поведении материала в лабораторных условиях опыта к условиям эксплуатационного нагружения можно только на основе теории подобия. Поведение материала подобно, если сохраняется неизменным ведущий механизм усталостного разрушения при разнообразном сочетании условий внешнего воздействия. Фактически речь идет о рассмотрении поведения материала как некоторой самоорганизующейся системы, когда в ней происходит распространение усталостной трещины. Самый важный для практики принцип самоорганизации состоит в том, что до достижения некоторых критических условий несущая способность материала с развивающейся усталостной трещиной остается неизменной. Следует, правда, оговориться, что речь идет об области многоцикловой усталости. В такой постановке вопроса необходимо использование нового научного направления — синергетики, созданного Хакеным [13,14] и развиваемого применительно к анализу поведения металлов В. С. Ивановой [15,16]. Указанное научное направление изучает открытые системы, эволюция которых во времени происходит при непрерывном обмене энергией с окружающей средой в направлении уменьшения энтропии. Переходы от одних способов протекания процессов эволюции к другим реализуются дискретно в соответствии с упорядоченной иерархией процессов самоорганизации. Обмен энергии реализуется на разных мае-

Расхождения в осуществляемых оценках сопоставляемых характеристик длительности роста трещины и длительности полного периода циклического на-гружения на разных уровнях одноосного нагружения (путем растяжения, изгиба с кручением и пр.) являются непринципиальными, и их влиянием на рассматриваемое соотношение можно пренебречь. Наблюдаемое подобие зависимостей относительной живучести от долговечности свидетельствует о том, что период роста трещины определяется не только уровнем действующего напряжения или асимметрией цикла нагруже-

Распространение усталостных трещин в тонких пластинах сопровождается переходом к переориентировке всей поверхности излома под углом около 45° к плоскости пластины еще до начала быстрого разрушения. Развитие трещины происходит в условиях перемещения берегов трещины по типу /:ш при одноосном растяжении. Такая же ситуация реализуется в случае комбинированного не одноосного нагружения тонкой пластины, т. е. она не зависит от условий внешнего воздействия, а присуща поведению материала в некотором диапазоне толщины испытываемой пластины. Происходит самоорганизованный переход через точку бифуркации, когда материал стремится понизить затраты энергии на реализуемый процесс разрушения и использует для этого большую работу пластической деформации, которая имеет место при продольном сдвиге. Доказательством сказанного являются результаты известных экспериментов, например [77-79]. На участке перехода от преимущественно плоского к переориентированному под углом около 45° излому отмечается небольшое снижение темпа роста трещины. Ее величина может даже оставаться постоянной. Это отмечается в алюминиевых, никелевых и титановых сплавах, что свидетельствует о едином поведении системы в виде пластины с развивающейся в ней усталостной трещиной. С увеличением длины трещины снижается степень стеснения пластической деформации вдоль фронта трещины, доля плоской поверхности излома по сечению уменьшается, что позволяет реализовать большую работу пластической деформации перед продвижением трещины.

перед фронтом трещины и прочее. Отклонение траектории роста трещины от плоскости, перпендикулярной к оси растяжения, свидетельствует о неполном соответствии описания реализуемого процесса разрушения на основе методов механики разрушения с использованием только КИН К\ даже в случае одноосного нагружения. Трещина на разных участках своего фронта имеет разное, но одновременно реализуемое развитие разрушения в цикле нагружения при сочетании трех видов раскрытия — нормального, продольного и поперечного сдвига, с разным значением по фронту трещины локальных коэффициентов интенсивности напряжения k\, k\\ и km. Перенапряжение материала вызывает более интенсивное продвижение трещины на одном участке фронта, что одновременно приводит к замедлению роста трещины на других участках и к усилению влияния на рост трещины сдвиговых компонент тензора напряжения.

Соотношение (6.2) указывает на существование влияния асимметрии цикла на рост трещин в условиях одноосного нагружения через функцию f(R) и синергетическое различие во влиянии асимметрии цикла при одновременном изменении различных параметров цикла, что определяется функцией FR(Xi, Х2, ..., Xi), в которой одним из рассматриваемых параметров воздействия также может являться асимметрия цикла. Введение поправочной функции /(/?) связано с анализом эквидистантно смещенных кинетических кривых, что отражает соблюдение условий подобия в сопоставляемых условиях нагружения, когда учет влияния на рост трещины анализируемого параметра может быть осуществлен путем умножения любого КИН на безразмерную константу подобия [3]. Наличие функции взаимного влияния параметров цикла нагружения указывает на возникновение линейных или нелинейных процессов, когда в направлении роста трещины величина безразмерного по-

Уравнения (6.18)-(6.21) отражают многопараметрический характер влияния на рост усталостных трещин характеристик цикла нагружения, геометрии образца и пластических свойств материала. Однако все рассмотренные выше подходы касаются только ситуации одноосного нагружения.

шения к другому и возвращаться к уже реализованным механизмам, но дополнительно необходимо рассматривать эффект взаимодействия нагрузок. Как и в случае одноосного нагружения, внешние условия двухосного нагружения не вызывают новых механизмов разрушения, а реализуют один из возможных механизмов в соответствии с их иерархией, присущей данному материалу. Следует оговориться, что речь идет о подобии условий раскрытия берегов усталостной трещины.

Возрастание соотношения главных напряжений играет аналогичную роль в изменении долговечности, как и снижение уровня напряжения в случае одноосного нагружения. В области отрицательных соотношений главных напряжений следует рассматривать ситуацию малоциклового разрушения в условиях опыта, тогда как в области положительных соотношений главных напряжений реализуется многоцикловое разрушение. Это заключение подтверждается данными о соотношении между периодом роста трещины и долговечностью в подобных условиях опыта.

2. Эквивалентное напряжение. Предельные напряжения ат, а„, как мы знаем, определяются экспериментально при одноосном напряженном состоянии. Поэтому, чтобы воспользоваться формулой (6.21) при трехосном напряженном состоянии, нужно уметь найти значение такого одноосного напряжения, которое было бы эквивалентно по своему разрушающему действию данному трехосному.

ную кинетическую кривую, которая связывает между собой СРТ с эквивалентными характеристиками многопараметрического цикла нагруже-ния. При прочих равных условиях (при одном и том же уровне напряжения (а0),) два многопараметрических цикла нагружения будут отличаться между собой величиной управляющего параметра а, который пропорционален плотности энергии разрушения. Напротив, различие в кинетике усталостных трещин для одного и того же материала при двух разных уровнях одноосного напряжения пульсирующего цикла может быть устранено за счет изменения других параметров цикла нагружения. Это характеризует изменение поправочной функции F(X{; Х2; Х3; ... Х{). Эффекты взаимного влияния параметров цикла нагружения на кинетику усталостных трещин также учитываются через безразмерную поправочную функцию F(Xl; X-i, Х3; ... Xt).

Из рассмотрения реальной геометрии траектории трещины в пространстве, которая отражает многообразие процессов взаимодействия структурных элементов у кончика распространяющейся трещины с пересекающей их зоной пластической деформации, следует, что уменьшать величину KI на некоторый безразмерный коэффициент, если различия в локальных ориентировках направления роста трещины вдоль ее фронта статистически неизменны в разные моменты времени. В том случае, когда различия ориентировок локальных направлений роста трещины нарастают по ее длине, в качестве множителя следует использовать безразмерную функцию. Корректировка подразумевает уточнение реализуемых затрат энергии на рост трещины в связи с ее более развитой в пространстве геометрией излома, чем в предполагаемом случае формирования идеально плоской поверхности. Определение плотности энергии разрушения (dW/dV)f через уровень одноосного напряжения при растяжении образца при формировании излома с разной высотой скосов от пластической деформации и при различной шероховатости излома в срединных слоях образца также связано с введением поправки на используемую в расчете величину действующего напряжения (см. главу 4). Прежде чем определить структуру указанных поправок, рассмотрим вид управляющих параметров в уравнениях роста усталостных трещин.

Функции Fj (Х^, X2, ..., Х{) характеризуют роль различных параметров структуры материала Xj в кинетике трещин. Из варьируемых характеристик YJ внешнего воздействия в тестовом опыте переменной величиной является только уровень одноосного напряжения или деформации. Первоначально для получения единой кинетической кривой как характеристики свойства материала сопротивляться росту усталостных трещин функции Fj(Yi, У2, ..., YJ) рассматриваются только в качестве характеристики одноосного цикла нагружения в тестовом опыте, а основное внимание будет уделено структуре функционалов Ft (Хь Х2, ..., Xj).

Были выполнены специальные испытания рычагов на стенде и плоских образцов, вырезанных их аналогичных рычагов, которые нагружались изгибом. Они показали, что распространение трещины с формированием подобного рельефа имеет место при высоком уровне номинального (одноосного) напряжения растяжения и при высоком уровне коэффициентов интенсивности напряжения. Этот факт подтвердил правомерность использования единой кинетической кривой для расчетов уровня эквивалентного напряжения, что потребовало выяснения причин существенно более высокого уровня напряженности рычага в эксплуатации по сравнению с расчетом. С этой целью были проведены специальные (краткосрочные) летные испытания с тензометрированием рычага в зоне зарождения усталостной трещины. При этом был учтен тот факт, что разрушенный вертолет был перегружен в полете на 2 т, что не могло не повлиять на нагруженность всех его элементов конструкции.

Следует подчеркнуть, что полученная величина эквивалентного напряжения соответствует уровню одноосного напряжения пульсирующего цикла нагружения в образце из того же материала, в котором выявлена эквивалентная закономерность роста усталостной трещины.

В каждом из слоев многонаправленного слоистого композита возникает сложное напряженное состояние, даже если композит в целом находится под действием одноосного напряжения. Следовательно, и в простейшем случае нагруже-ния композита начало разрушения слоя должно определяться при помощи соответствующего критерия предельного состояния. Предложено много разновидностей критериев прочности однонаправленных композитов, рассматриваемых как однородные анизотропные материалы (см., например, [10]'), в форме, удобной для описания экспериментальных данных. В основу этих критериев положена гипотеза, согласно которой однонаправленный волокнистый композит считается однородным анизотропным материалом. Можно ожидать, однако, что для оценки предельного состояния композита потребуется рассмотрение таких деталей механизма разрушения, которые определяются неоднородностью материала на уровне армирующего элемента. Дело в том, что виды разрушения, вызванные разными по направлению действия напряжениями, имеют принципиально различающиеся особенности.

периментальные точки соответствуют не только первому разрушению слоя (А), но и разрушению составного материала в целом (ф). При двухосном нагружении, в отличие от одноосного, напряжения, соответствующие разрушению составного материала, не всегда превышают напряжения первого разрушения слоя. Эти два вида разрушения трудно различимы. Вероятно, первое разрушение слоя может инициировать разрушение составного материала в целом. Расчеты

Действительно, например, при одноосном нагружении тела каждый элементарный объем должен испытывать всестороннее давление, равное одной трети от приложенного одноосного напряжения, как это следует из модели сплошной среды. Но этот результат вовсе не очевиден для дискретной модели кристаллического тела в применении к отдельным частицам, из которых сложена кристаллическая решетка.

Действительно, при одноосном нагружении тела например, каждый элементарный объем должен испытывать всестороннее давление, равное 1/3 от приложенного одноосного напряжения, как это следует из модели сплошной среды. Но этот результат вовсе не очевиден для дискретной модели кристаллического тела в применении к отдельным частицам, из которых сложена кристаллическая решетка.

где AS, АН — изменение указанных величин на единицу объема. Это уравнение соответствует уравнению Клаузиуса — Клапейрона, характеризующему соотношение между температурой и давлением при фазовом превращении первого рода с той лишь разницей, что давление заменено на одноосное напряжение, а знак правой части изменен с положительного на отрицательный. Следовательно, уравнение (1.48) можно рассматривать как уравнение Клаузиуса—Клапейрона, соответствующее фазовому превращению первого рода под воздействием одноосного напряжения.