Разрушение конструкции

Часто хрупкое разрушение конструкций происходит от катастрофического распространения трещин при средних напряжениях ниже предела текучести и кажущихся инженеру-конструктору безопасными. Подобные разрушения указывают на недостаточность классических методов расчета на прочность по упругому и пластическому состояниям. Они указывают на необходимость дополне-

Часто хрупкое разрушение конструкций происходит от катастрофического распространения трещин при средних напряжениях ниже предела текучести и кажущихся инженеру-конструктору безопасными. Подобные разрушения указывают на недостаточность классических методов расчета на прочность по упругому и пластическому состояниям. Они указывают на необходимость дополнения классических расчет ов новыми методами на прочность, учитывающими законы зарождения и развития трещин, а также новые характеристики материала, оценивающие стадию разрушения.

В ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова, выполнено исследование явления тепловой хрупкости строительных сталей, которое заключается в значительном увеличении (до +50 - +200°С) температуры вязкохрупкого перехода в результате длительного воздействия повышенной (150-550°С) температуры. При этом отмечено слабое влияние состояния тепловой хрупкости на прочностные (СУО 2, GB) и пластические (85, у) свойства сталей. Следствие тепловой хрупкости - появление трещин и последующее разрушение конструкций и их соединений, в том числе сварных, подвергающихся в процессе эксплуатации воздействию повышенных температур. На развитие тепловой хрупкости влияет полное время пребывания конструкции в интервале температур, вызывающих охрупчивание.

/В кн. "Механика разрушения. Разрушение конструкций". Под ред. Д. Тэплина.- М.: Мир, 1980.- С. 7-30.

59. Либовиц Г., Эфтис Дж., Джонс Д. Некоторые недавние теоретические и экспериментальные исследования по механике разрушения / В кн.; Механика разрушения. Разрушение конструкций . Под ред. Д. Тэплина,- М.: Мир, 1980.- С. 168-202.

Известно, что применение ингибиторов—один из универсальных, технологически и экономически целесообразных методов защиты металлов от коррозии. Отличительная черта метода защиты с помощью ингибиторов — возможность при небольших капитальных затратах замедлять коррозионное разрушение конструкций, даже если эти конструкции или оборудование длительное время находились в эксплуатации.

Важнейшая задача вибродозиметрии — определение дозы вибрации в различных средах и особенно в тканях живого организма (известно, что вибрационное воздействие вызывает усталостное разрушение конструкций, а также вибрационную болезнь у людей). Для этой цели используют различные расчетные и экспериментальные методы.

Механические воздействия на металл (внешние и внутренние напряжения, вибрация) ускоряют коррозионнный процесс; в таких случаях наблюдаемое разрушение конструкций называют коррозией под напряжением (коррозионное растрескивание) и коррозионной усталостью. Разрушение металлов может протекать по границам кристаллитов или в их толще. В последнем случае коррозия называется транскристаллитной.

Отметим также, что быстрое разрушение конструкций может быть вызвано значительным уменьшением нагрузочной способности из-за широкомасштабного замещения сплава в поперечном сечении хрупкими (или даже пористыми) оксидами и другими продуктами коррозии. Этот процесс обычно протекает при высоких температурах в очень агрессивных средах и приводит к глубокому проникновению коррозии или даже к сквозному разрушению материала. В подобных случаях залечивание разрушенного металла оксидами [29, 30, 103], конечно же, не происходит из-за быстрого уноса металла со смежных участков. Примеры сильного коррозионного разрушения в литературе встречаются часто [40, 103, 185] и здесь специально не рассматриваются.

Параллельно с экспериментальными исследованиями разрабатывались методы расчета несущей способности оболочек. В работе [25, ч. 2] дано предложение по оценке несущей способности ребристых оболочек как брусьев, работающих на упругом основании. В исследовании [37, ч. 2] принимается, что разрушение конструкций наступает в момент исчерпания несущей способности оболочки от кольцевых нормальных растягивающих сил. При этом усилия в растянутой арматуре уравновешиваются сжатием полки в центре оболочки у нагрузки. В меридиональном направлении ребра в зоне кольцевого пластического шарнира почти по всей высоте работают на сжатие. В местах образования пластических шарниров действуют моменты сил. В работе [17] основные положения, характеризующие поведение оболочек в предельной стадии (схема разрушения, напряженное состояние ребер), приняты как в работе [37, ч. 2]. При этом считается, что плита в месте кольцевого пластического шарнира работает только на изгиб.

При достаточно высокой температуре конструкция разрушается при весьма высоких разрушающих напряжениях и остаточные напряжения не оказывают влияния на величину последних. Когда температура работы конструкции ниже критической температуры торможения процесса распространения хрупкой трещины (для основного металла конструкции), хрупкое разрушение может возникнуть при довольно низких напряжениях, однако при этом трещина остановится после распространения на некоторую длину. Полное разрушение конструкций происходит при высоком разрушающем напряжении. В этом случае остаточные напряжения оказывают влияние на работоспособность конструкции. При температуре испытания ниже температуры торможения трещины хрупкое разрушение будет происходить так: а) если напряжение от внешней нагрузки, при котором возникла трещина, ниже критического напряжения, обусловливающего хрупкое разрушение при данной температуре, распространение трещины приостановится, а полное разрушение произойдет при высоких разрушающих напряжениях. В этом случае остаточные напряжения не влияют на величину разрушающей нагрузки; б) если напряжение возникновения трещины выше критического напряжения, трещина распространится на все сечение образца, конструкция будет полностью разрушена при небольших значениях разрушающего напряжения. В этом случае остаточные напряжения оказывают существенное влияние на несущую способность конструкции.

Наличие трещин, образующихся на стадии изготовления элементов конструкций или в процессе их эксплуатации вследствие усталости материалов, нередко становится причиной хрупкого разрушения, носящего катастрофический характер. Предполагается, что разрушение конструкции с трещиной происходит тогда, когда длина трещины достигнет критической величины. Если определяющей является герметичность конструкции, то длина трещины, которая приводит к потере герметичности, может быть использована в качестве критерия разрушения. Если конструкция с трещиной предназначена для работы при сравнительно низких температурах, то в качестве критерия разрушения необходимо использовать показатели трещиностойкости, определенные при соответствующих условиях. Критерием разрушения может служить также критическая величина остаточной статической прочности, при достижении которой элемент конструкции будет разрушаться.

Практика показывает, что все части конструкций под действием нагрузок деформируются, т. е. изменяют свою форму и размеры, а в некоторых случаях происходит разрушение конструкции.

Наличие трещин, образующихся на стадии изготовления элементов конструкций или в процессе их эксплуатации вследствие усталости материалов, нередко становится причиной хрупкого разрушения, носящего катастрофический характер. Предполагается, что разрушение конструкции с трещиной происходит тогда, когда длина трещины достигнет критической величины. Если определяющей является герметичность конструкции, то длина трещины, которая приводит к потере герметичности, может быть использована в качестве критерия разрушения. Если конструкция с трещиной предназначена для работы при сравнительно низких температурах, то в качестве критерия разрушения необходимо использовать показатели трешиностойкости, определенные при соответствующих условиях. Критерием разрушения может служить также критическая величина остаточной статической прочности, при достижении которой элемент конструкции будет разрушаться.

4. В сварной конструкции не должно быть резких (ступенчатых) переходов по толщине металла (рис. 6.9), отклонений от симметричности расположения элементов по толщине; не должно быть резких переходов форм конструкции (малых радиусов закругления вырезов). В противном случае возможно разрушение конструкции в результате концентрации напряжений. Это особенно важно для конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и вибрации. Для таких конструкций необходимо предусмотреть плавные переходы от металла шва к основному металлу.

РЕЗОНАНС (франц. resonance, от лат. resono — звучу в ответ, откликаюсь) — более или менее резкое возрастание амплитуды А установившихся вынужденных колебаний системы, когда частота со внеш. воздействия на колебат. систему приближается к к.-л. из частот COQ^ её собственных колебаний. Зависимость А от со наз. резонансной кривой. На рис. показан вид резонансной кривой для механич. колебат. системы с одной степенью свободы (напр., пружинного маятника). Явление Р. имеет большое практич. значение. Напр., в радиотехнике Р. используется при настройке приёмника на нужную радиостанцию. В различных конструкциях, подвергающихся переменным внеш. механич. нагрузкам, Р. вреден, т. к. может вызвать разрушение конструкции.

сначала определяется величина ее (или их), которая вызывает разрушение конструкции. Затем находится допускаемая (рабочая) нагрузка путем деления предельной нагрузки на выбранный коэффициент запаса прочности. В этом случае при определении рабочих нагрузок величина фактических напряжений, возникающих в деталях или конструкциях, непосредственно не используется.

Полное разрушение конструкции в результате аварии самолета ставит перед исследователями задачу последовательного отыскания первоначально отказавшей детали. Решение этой задачи является комплексным, и оно основано на привлечении различных методов и средств исследования, одним из которых является фрактография. Возникновение и последовательное развитие трещин в элементах конструкции ВС может не приводить к аварии, поскольку используемые неразрушающие методы и средства контроля в диагностике их состояния позволяют обнаруживать повреждения [5] до наступления предельного перехода к быстрому, неконтролируемому развитию разрушения. Выявленные трещины подвергаются изучению, в том числе и путем изучения поверхности излома вскрытой трещины.

Приведенный постулат является следствием известного парадокса в математике, который гласит, что ни одна система в процессе своей эволюции не может быть описана с достаточной полнотой, поскольку никогда заранее не известно, сколько переменных должно быть использовано для описания поведения этой системы. Применительно к разрушающемуся элементу конструкции этот принцип означает, что всегда существует неопределенность в том, каким именно было эксплуатационное нагружение, вызвавшее разрушение конструкции. Отмеченная неопределенность становится понятной применительно к металлическим элементам конструкций, если учесть другой принцип эквивалентности условий нагружения, который гласит следующее:

Характеристики коррозионных свойств металлов и сплавов hK и ?к предполагают их равномерную коррозию и в большинстве случаев представляет усредненную по поверхности величину скорости коррозии. При ярко выраженном характере локальной коррозии в примечании указывается вид коррозии. Следует отметить, что локальные виды коррозии наиболее опасны, так как при общей небольшой потере массы металла происходит сильное локальное разрушение конструкции, что приводит к преждевременному выходу оборудования из строя. Как отмечает академик Я- М. Колотыркин [3], по некоторым оценкам общая коррозия в химической промышленности составляет около 30%, а локальная — более 52%. Поэтому проверка коррозионного поведения конструкционных материалов в конкретных условиях эксплуатации всегда необходима, особенно если имеется опасность локальной коррозии.

Во многих инженерных задачах совмещают оба подхода. Это является следствием сложности одновременного учета погрешностей расчета и конструирования, ограниченности контроля при изготовлении, сборке и эксплуатации — словом, отсутствия полной определенности в условиях для точного определения прочности материала и величины действующих нагрузок. Если надежность конструкции сформулировать как требование, чтобы она «никогда не разрушалась», то это, очевидно, приведет к требованию бесконечно большой прочности и, следовательно, к бесконечно большой массе конструкции. Таким образом, необходимо согласиться на что-то меньшее. Требование «не разрушаться никогда», разумеется, обычно заменяют на требование «не разрушаться при условии». Как правило, разрушение конструкции допускается только в том случае, когда нагрузка в процессе эксплуатации конструкции существенно выйдет за рамки ожидаемых границ для определенного типа нагрузок. Короче, приемлемый проект не должен допускать разрушения конструкции при нормальных условиях ее эксплуатации и допускать эту возможность при их нарушении [3]. При таком подходе надежность конструкции является вероятностью того, что ее несущая способность в определенных условиях и в течение заданного времени превышает уровень действующих нагрузок. Если надежность конструкции охарактеризовать 0 (абсолютная ненадежность) и 1 (абсолютная надежность), то возможность реализации каждого из чисел между этими границами можно сопоставить с соответствующей вероятностью. Если все возможные значения надежности

tfgl I I II I ния токоввода на заземляющем электроде очень важен. В случае его коррозии присходит быстрое разрушение конструкции чисто механическим путем, под давлением растущей на токов-воде ржавчины, объем которой в 2,5—3,0 раза больше объема прокорродировавшего железа. В качестве одного