Поверхности прочности

Минеральные и растительные масла, соединения, входящие в состав животных жиров, и другие жидкости с цепными макромолекулами, в том числе углеводородов полнонасыщенных рядов СпН2п, имеющие неполярные молекулы, образуют на границе с металлической поверхностью пленки с особыми структурами, состоящими из монослоя и отдельных слоев с ориентацией молекул в них перпендикулярно поверхности металла (рис. 2.5). Адсорбция происходит под влиянием поляризации неактивных углеводородистых молекул электрическим полем металлической поверхности. Прочность и устойчивость такой адсорбированной пленки невелики. Однако достаточно в состав масла ввести незначительное количество поверхностно-активного вещества, чтобы образовался адсорбированный монослой поверхностно-активных молекул, способных сообщить расположенным выше слоям определенную ориентацию [32].

Все смазочные масла способны адсорбироваться на металлической поверхности. Прочность пленки зависит от наличия в ней активных молекул, их количества и качества. Минеральные смазочные масла являются механической смесью неактивных углеводородов, органических жирных кислот, смол и других поверхностно-активных веществ. Почти все смазочные масла образуют на металлической поверхности граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0,1 мкм, обладающую относительно прочной связью с поверхностью и продольной когезией. Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно твердой поверхности, поэтому граничную пленку можно представить в виде "ворса" на металлической поверхности (рис. 3.3).

При тщательной подготовке поверхности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, никелем, медью и латунью при испытании на сдвиг достигает 30 кгс/мм2. Однако следует иметь в виду, что стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны нельзя покрывать хромом. Также трудно получить хорошее спепление хрома с поверхностью деталей, испытывающих значительные внутренние напряжения, например, в результате неправильно проведенной закалки.

Поверхностно-активная среда снижает и -у, и 7i- Однако в хрупких телах 7i во много раз меньше, чем в пластичных металлах, что определяет их прочность. В пластичных металлах уг может значительно превышать 7 и поэтому с уменьшением под влиянием поверхностно-активной среды величины 7i увеличивается деформируемость металла в вершине трещины. Таким образом, адсорбционное понижение прочности более опасно для высокопрочных, но хрупких материалов, имеющих на поверхности трещиноподобные дефекты.

Прочность деталей также зависит от шероховатости поверхности. Разрушение детали, особенно при переменных нагрузках, в большой степени объясняется концентрацией напряжений вследствие наличия неровностей. Чем чище поверхность, тем меньше возможность возникновения поверхностных трещин от усталости металла. Чистовая отделка деталей (доводка, полирование и т. п.) обеспечивает значительное повышение предела их усталостной прочности.

37. Прочность сцепления стального покрытия и основания зависимости от метода подготовки поверхности стального вала

Метод подготовки поверхности Прочность сцепления слоя и основания в кГ/см2

Холодногнутые профили отличаются рациональным распределением металла по сечению, высокой жесткостью, хорошим качеством поверхности; прочность металла повышается на 10—15%против исходного.

Холодногнутые профили проката отличаются рациональным распределением металла по сечению, высокой жесткостью, хорошим качеством поверхности; прочность металла повышается на 10—15% против исходного.

При тщательной подготовке поверхности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, никелем, медью и латунью при испытании на сдвиг достигает 30 кГ/мм"1. Однако следует иметь в виду, что стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны нельзя покрывать хромом. Также трудно получить хорошее сцепление хрома с поверхностью деталей, испытываю-

Масштабный фактор в полной мере проявляется на деталях из стали как при растяжении, так и при изгибе, причем при изгибе прочность получается более высокой, чем при растяжении. Объясняется это тем, что при изгибе объем сопротивляющейся массы металла при одинаковых напряжениях будет значительно меньше, чем при растяжении; при кручении хрупкое разрушение также наступает при больших напряжениях, чем при растяжении. Изменение размера образца, в свою очередь, существенно влияет на механические характеристики пластичных сталей (табл. 3.3). Как следует из таблицы, наиболее сильно размер образца влияет на предел пропорциональности и в некоторых случаях при увеличении диаметра образца от 5 до 40 мм падает более чем на 25%. Масштабный фактор проявляется и при хрупком разрушении в коррозионной среде. Так, с уменьшением поверхности прочность образца при погружении в коррозионную среду увеличивается.

нии был использован критерий Мизеса, обобщенный на анизотропный материал Хиллом. Уравнение поверхности прочности имеет вид

Геометрически критерий разрушения можно интерпретировать как некоторую предельную поверхность в пространстве напряжений, т. е. условие разрушения выполняется в тот момент, когда заданный вектор напряжений пересекает эту поверхность прочности1). Общий вид поверхности прочности при

противление жестких полимерных материалов, изд. 2, Рига, «Зинатне», 1972). Соответственно этому используемые в дальнейшем изложении термины stress failure tensors и strain failure tensors переводятся как «тензоры поверхности прочности по напряжениям» и «тензоры поверхности прочности по деформациям». — Прим. ред.

Поверхности прочности различных анизотропных композитов соответствуют многочисленным механизмам разрушения и могут иметь самые разнообразные размеры и форму, так что для описания таких поверхностей необходимо иметь достаточно гибкую математическую модель. Несмотря на то что форма поверхности прочности может быть достаточно сложной, по аналогии с выводами общей теории пластичности можно ожидать, что она будет выпуклой (Поль [38]), но даже при отсутствии выпуклости (Ашкенази [1]) для любой заданной траектории на-гружения условие разрушения, записываемое в виде некоторого уравнения, имеет только один корень. Например, две прямолинейные траектории, идущие вдоль коллинеарных лучей, пересекают, как показано на рис. 2,а, поверхность прочности не более чем в двух точках. Наличие единственного корня (рис. 2,6), означающее, что для некоторых траекторий нагружения материал обладает бесконечной прочностью, физически допустимо, но в инженерной практике встречается редко.

Форму поверхности прочности, соответствующую любому феноменологическому критерию, невозможно полностью определить до тех пор, пока экспериментально не исследованы все возможные напряженные состояния среды. Если экспериментальные точки лежат далеко друг от друга, то поверхность прочности может показаться гладкой, в то время как более тщательные эксперименты могут выявить более тонкую и сложную структуру. Хорошо известным примером являются экспериментальные работы последних лет, когда были открыты угловые точки на изотропной поверхности текучести. Однако в действительности степень точности построения поверхности прочности представляет собой компромисс между требованиями инженерной практики и имеющимися в распоряжении экспериментатора средствами и временем. Следовательно, математическая модель .должна служить руководством при выявлении нерегулярностей формы поверхности прочности и в то же время должна быть такой, чтобы ее можно было легко упростить и приспособить к исследованию данного конкретного материала в данных условиях.

Главные особенности явления разрушения были объяснены в работе Цая и By [46] путем детального исследования таких вопросов, как определение технических параметров прочности, условия устойчивости, влияние преобразований системы координат, приложения к изучению трехмерных армированных композитов и вырожденных случаев симметрии материала. Дополнительную информацию из формулировки (5а) критерия можно получить путем анализа тех требований к поверхности прочности, которые вытекают из геометрических соображений. В соответствии с концепциями феноменологического описания ниже будут обоснованы общие математические модели, обеспечивающие достаточную гибкость и возможность упрощений на основании симметрии материала и имеющихся экспериментальных данных. Мы начнем с рассмотрения тех преимуществ, которые имеет формулировка критерия в виде (5а) по сравнению с другими формулировками, использующими уравнения вида (1) или (4), и покажем, что последние две формулировки представляют лишь исторический интерес и используются в современной инженерной практике как частные формы критерия (5а).

Компоненты тензоров поверхности прочности по напряжениям F{ и Fij можно выразить через технические пределы прочности, рассмотрев уравнение (5а) для частных случаев одноосного напряженного состояния; например, для плоской задачи имеем [46, 47]

Если тензоры поверхности прочности по напряжениям F{, Ftj определены для какого-нибудь одного направления 6 в материале, то критерий разрушения для произвольного сложного напряженного состояния находится подстановкой выражений (8) в формулу (56) и решением получившегося при этом алгебраического уравнения. Поскольку компоненты F{, Рц, найденные

где G,-, GJJ и т. д. — постоянные материала, выражаемые через используемые в технике пределы прочности по деформациям. В частности, тензоры поверхности прочности по деформациям — коэффициенты линейной и квадратичной форм левой части уравнения (10)—для случая композиционных пластин можно за-лисать в виде

где Et и Е'{ — пределы прочности по деформациям в направлении t при растяжении и при сжатии соответственно, i = 1, 2, 3, .а Е/ и Е^ — пределы прочности при сдвиге в двух противоположных направлениях в плоскости /, / = 4, 5, 6. В общем случае все элементы вектора GJ и тензора С,-,- отличны от нуля, как это •было и в уравнении (5в). Тензоры поверхности прочности по деформациям GJJ симметричны, если принимается гипотеза о существовании потенциала разрушения (аналогично тому, как это было для тензоров поверхности прочности по напряжениям fij, ...). Правила преобразования этих тензоров (в несокращенных обозначениях) идентичны правилам преобразования (6) тензоров поверхности прочности по напряжениям.

Поверхности прочности в пространствах напряжений и деформаций не являются независимыми, поскольку из непрерывности функций в уравнениях (5) и (10) следует возможность взаимно однозначного перехода от одних независимых переменных к другим (от напряжений к деформациям и наоборот), причем связь между этими переменными дается определяющими уравнениями среды. Если используемый критерий определяет начало нелинейной области механического поведения композита, до этого подчинявшегося закону Гука, то переход от одних