Пластичных материалах

В прямом смысле устойчивость в малом является обычным требованием, невыполнение которого означает, что конструкция будет самопроизвольно отклоняться от своего равновесного состояния при фиксированной нагрузке. Кривые нагрузка — прогиб или 0(е) при простом нагружении имеют положительный наклон. Устойчивость в малом для цикла и устойчивость в большом характерны для большинства пластичных конструкционных металлов и пластичных конструкций при рабочих нагрузках и умеренных перегрузках. Условия устойчивости материалов часто неявно подразумеваются в методиках и нормах проектирования, но нельзя предполагать, что эти условия имеют силу и для композитов, поскольку они не являются законами природы.

риалов при изгибе часто оказывается ниже, чем при растяжении, что связано с нарушением адгезии между связующим и наполнителем. Гладкие образцы пластичных конструкционных материалов разрушить при испытании на изгиб обычно не удается и поэтому для них П. п. при изгибе определить нельзя. При смятии напряжения в сминаемом отверстии распределяются неравномерно, и П. п. при смятии (стЬсм) подсчитывается путем деления разрушающей нагрузки на проекцию площади смятия (см. Испытание на смятие). П. п. при смятии определяется сравнительно редко и по имеющимся данным превосходит П. п. при растяжении в 1,6— 1,7 раза для алюминиевых и титановых сплавов и в 1,4—1,5 раза для магниевых сплавов.

УПРОЧНЕНИЕ — прирост сопротивления деформации с увеличением степени пластин, деформации или в результате легирования (напр., при введении Мп или Si в железо) и структурных изменений в материале (напр., при выделении фазы СиА12 при старении дуралюмина). У. характеризуется модулем секущим и модулем касательным. Различают еще У., обусловленное формой детали или образца (так наз. упрочнение формы), напр, при наличии круговой выточки на цилиндрич. стержне предел прочности аь пластичных конструкционных материалов повышается,

Величина Sk для пластичных конструкционных сталей может быть установлена по пределу прочности ав и относительному сужению в шейке фk (%):

тельство, что и при температуре выше температуры стеклования Тс полимер обладает сравнительно высоким модулем упругости, причем зачастую он бывает сильно пластичным, дает возможность успешно использовать кристаллические полимеры в качестве пластичных конструкционных материалов. При дальнейшем повышении температуры достигается температура Т„„ при которой кристаллиты полимера сравнительно быстро расплавляются, и наступает очень быстрое вязкое течение *.

симальное напряжение приближается к пределу прочности, полному разрушению даже в условиях комнатной температуры предшествует (как и в случае малоцикловой усталости) одностороннее накопление пластических деформаций, приводящее к раннему шейко-образованию. Однако это относится лишь к условиям испытаний при однородном линейном растяжении стержня, и рассматриваемый участок линии пределов выносливости выглядел бы иначе, если бы его можно было построить для элемента материала, расположенного, например, в некоторой зоне местных напряжений. При стт < 0 линия пределов выносливости известных конструкционных металлов поднимается так, что вся диаграмма несимметрична относительно оси а„. При знакопостоянном сжатии образцы достаточно пластичных конструкционных сталей, как правило, не испытывают усталостных разрушений, но сопротивление относительно хрупких металлов, разрушающихся и в условиях сжатия статической нагрузкой, при циклических воздействиях снижается (рис. 1.16).

с тем, что предел прочности в случае достаточно пластичных конструкционных металлов мало зависит от наличия концентраторов напряжений, чистоты поверхности и абсолютных размеров детали. В случае применения кусочно-линейной аппроксимации (прямых 2 и 3) выражение (4.22) для приведенной амплитуды достаточно отчетливого обоснования ' не имеет, так как неясно, почему местные напряжения и другие факторы не отражаются на коэффициенте при ат, который для левого участка аппроксимирующей ломаной сохраняет в этой формуле величину 2<т_1/а0 — 1 . По-видимому, более обоснованным является выражение

асимметрии, т. е. абсцисса кривой усталости. Можно при этом использовать кривые, отвечающие различным вероятностям разрушения (п. 3.7), и в данном случае использованы кривые 50-и 5 %-ной вероятности. Той же вероятности должно отвечать и напряжение стр, однако рассеяние этой характеристики прочности в случае достаточно пластичных конструкционных металлов невелико, так что независимо от вероятности разрушения можно всегда использовать средневыборочное значение ар. При вычислении параметра х согласно (3.53) необходимо задать абсолютный предел выносливости С2, который иногда отождествляется с прецизионным пределом текучести материала, т. е. с предельным напряжением, при котором ни в одном кристаллическом зерне еще не появляются микропластические деформации. Определение этой характеристики конструкционных материалов связано в общем случае со значительными трудностями, так как для этой цели нужно проводить испытания на усталость при очень больших базовых числах циклов. Кроме того, наличие абсолютного предела

Кривые усталости (по моменту образования макротрещины) в соответствии с уравнениями (3.2.9) и (3.2.10) в двойных логарифмических координатах показаны на рис. 3.2.5. В области малоцикловой усталости для пластичных конструкционных сталей еар»еае и е^аеар, т.е. мало-цикловая долговечность определяется исходной статической пластичностью \(/к. В области мно-. гоцикловой усталости еае»еар и е,-^еае и долговечность зависит от исходной прочности ,5^.

В области малоцикловой усталости для пластичных конструкционных сталей еар » еае и еа ~ еар, малоцикловая долговечность в основном определяется исходной статической пластичностью vj/k. В области многоцикловой усталости еае » еар и еа » еае долговечность зависит от исходной прочности Sk.

В большинстве случаев для пластичных конструкционных металлов можно принять кх — 0,5 152], в результате чего уравнения (3.63) — (3.65) приобретают вид

Упрочнение перегрузкой применимо только для материалов, обладающих достаточной пластичностью. В хрупких материалах перенапряжение может вызвать в растянутых слоях микротрещины и надрывы, вдаодяццге деталь из строя. Такое же явление может произойти в пластичных материалах при высоких степенях деформации. Поэтому величину пластической деформации ограничивают, допуская перенапряжение не Выше 1,1 —1,2ст02. Следует учитывать, что всякий вид перенапряжения упрочняет материал только против действия нагрузки одного направления И раз-упрочняет при действии нагрузки противоположного направления. Таким образом, этот способ применим при нагрузках постоянного направления, пульсирующих, а также знакопеременных с преобладанием нагрузки одного направления (асимметричные циклы).

чать поведение микротрещин in situ, т.е. непосредственно в колонне микроскопа. Микромеханика находится еще в начальной стадии своего развития, в то время как механика сплошной среды и механика разрушения (являющаяся составной ее частью) уже достигла большого развития. Линейная механика разрушения рассматривает материал как сплошную, однородную, упругую среду и пользуется аппаратом классической линейной теории упругости. Это направление в механике разрушения получило название линейной механики разрушения. В материалах, обладающих пластичностью во многих случаях, упругое поведение локальных атомов у края трещины не реализуется. Теорией распространения трещин в пластичных материалах занимается нелинейная механика разрушения.

Критерий Орована-Ирвина. Е. Орован [28], а затем Г. Ирвин [29] предположили, что при образовании поверхностей раздела в пластичных материалах высвобождаемая энергия упругой деформации в значительной степени затрачивается на пластическое течение у вершины трещины. Критическое значение этой энергии существенно превышает величину поверхностной энергии 2-у. Это позволило представить зависимость между разрушающим напряжением ас и длиной трещины с при плоской деформации в виде

При низких температурах (Т ^ 0,ЗГПЛ) пластическая деформация осуществляется скольжением дислокаций. В пластичных материалах дислокации движутся, легко преодолевая при соответствующем напряжении различного рода препятствия, создаваемые другими дислокациями, растворенными атомами, дисперсными частицами, границами зерен и т. д. (рис. 1.10, а). Напряжение, требуемое для движения дислокаций, зависит от концентрации препятствий и заметно сни-

При значительной протяженности наклонной трещины, что характерно для этапа ее быстрого роста, берега трещины можно скрепить, выполнив отверстия в пределах проекции наклонной трещины на наружную поверхность (А. с. 1333521 СССР. Опубл. 30.08.87. Бюл. № 32). Такой подход может быть реализован в пластичных материалах, для которых величина СПД достигает более 5 мм. Для алюминиевых сплавов высота СПД может составлять 10 мм. Используемый в этом случае диаметр отверстия должен быть меньше ширины проекции наклонной трещины. В отверстия помещают крепежные элементы, под головками которых устанавливают шайбы, имеющие диаметр, равный ширине проекции наклонной трещины на наружную поверхность детали (высота СПД). При стягивании крепежа берега трещины сближаются. Крепеж исключает беспрепятственное перемещение берегов трещины до тех пор, пока не будет разрушена часть металла по границе стяжного элемента.

Вид трещин существенно зависит от пластичности материала: в пластичных материалах на поверхности образца или детали они имеют характер разветвленных «паучков», в хрупких материалах трещины менее многочисленны, прямолинейны, с редкими «отростками», отходящими от основной трещины под углами, близкими к 90° [6].

Сопоставим данные оценочного расчета с экспериментальными для максимальной величины эффекта Аг = 255 мкА/см2 (рабочая поверхность 0,314 см2) при Ат == 190 МН/М2 (19 кгс/мм2) (см. рис. 8). Принимая [29] для железа значения а= 1011см~г и Afmax = 1012 см"2, по кривой растяжения (см. рис. 8), используя формулы (71) и (79), находим оценку п *=* 10, что не противоречит результатам электронномикроскопических наблюдений. Действительно, прямое электронномикроскопическое наблюдение [51 ] дислокационной структуры деформированных в различной степени железных фолы показало, что при 8 = 5% образуются скопления и нагромождения дислокаций, переходящие затем при е> 8-4-10% в развитую ячеистую структуру, причем .для е = 10% плотность дислокаций N = 5-Ю10 см"2. Установлено большое сходство дислокационных структур деформирован-,ных до больших степеней деформации железных фольг со струк-.турами, образующимися в г. ц. к. металлах с низкой энергией {дефектов упаковки. Этим объясняется отсутствие в дислокацион-1ных структурах армко-железа копланарных скоплений дисло- каций значительного размера: в пластичных материалах пласти-• ческая релаксация скоплений препятствует образованию плоских скоплений с n^s 5 на стадии деформационного упрочнения [52]. В условиях динамического нагружения процессы отдыха не успевают следовать за упрочнением и короткое время могут существовать скопления с п >• 5 (например, наблюдается выход линий скольжения в течение времени старения после прекра-, щения деформации [53]).

(рабочая поверхность 0,314 см2) при AT = ISO ЛШа (см. рис. 14). Принимая [33] для железа значения а= 1011 см""2 и Nmax = = 101а^см~2, по кривой растяжения (см. рис. 14) и используя формулы (83) и (91), находим оценку п = 10, что не противоречит результатам злектронномикроскопических наблюдений. Действительно, прямое электронномикроскопическое наблюдение [57 ] дислокационной структуры деформированных в различной степени железных фолы показало, что при е = 5% образуются скопления и^нагромождения дислокаций, переходящие затем при е > 8-^-10% в развитую ячеистую структуру, причем для е = 10% плотность дислокаций N = §•1010 см~2. Установлено большое сходство дислокационных структур деформированных до больших степеней деформации железных фолы со структурами, образующимися в г. ц. к. металлах с высокой энергией дефектов упаковки. Этим объясняется отсутствие в дислокационных структурах армко-железа копланарных скоплений дислокаций значительного размера: в пластичных материалах пластическая релаксация скоплений препятствует образованию плоских скоплений с п >• Ь на стадии деформационного упрочнения [58]. В условиях динамического нагружения процессы отдыха не успевают следовать за упрочнением и короткое время могут существовать скопления с п > 5 (например, наблюдается выход линий скольжения в течение времени старения после прекращения деформации [59]).

рамме. На пластичных материалах нагрузка может возрастать и после возникновения трещины вследствие эффекта упрочнения. В этом случае действительная величина работы распространения трещины с момента ее зарождения будет больше регистрируемой величины ар в момент спада нагрузки, что идет в запас прочности.

В пластичных материалах, сопротивляющихся росту трещины посредством массивного пластического течения и притупления трещин, распространение последних возможно только путем повторного зарождения (т. е. заострения вершины) . В свою очередь это требует наличия явлений, подобных тем, что приводят к первоначальному зарождению (различие связано с неодинаковостью условий и химических свойств среды внутри трещины и на внешней поверхности материала; например рН в трещине может иметь очень низкое значение [60, 61, 175 — 178, 297, 298]). Этот эффект связан с гидролизом ионов растворенного металла М+У и описывается реакцией [176]:

Для нарезания резьбы в пластичных материалах применяют метчики с вырезанной в шахматном порядке ниткой на калибрующей части или на всей длине, включая и заборную часть. -Вырезание ниток производят в шахматном порядке от пера к перу (рис. 16, а) или от витка к витку (рис. 16, 6). У метчиков с четным количеством зубьев через каждый оборот нужно срезать или оставлять подряд две нитки (рис. 16, в, г). Вырезание ниток (рис. 16, б) производят как при четном, так и нечетном числе зубьев. Срезание ниток через каждый оборот допустимо только на калибрующей части.