Растягивающих нагрузках

Коррозионное растрескивание наблюдается обычно в металле шва и в околошовной зоне, где после сварки происходит изменение состава и структуры металла и появляются растягивающие напряжения. Растягивающие остаточные напряжения в верхнем слое металла, способствующие коррозионному растрескиванию, возникают обычно также при таких операциях, как штамповка, развальцовка изделий, гибка и т. п.

Выкрашиванию способствуют растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое после механической обработки, трещины после химико-термической обработки и закалки, а также значительные термические напряжения, возникающие при трении вследствие неудовлетворительной смазки.

Например, при шлифовании титановых сплавов в поверхностном слое возникают растягивающие остаточные напряжения. Они могут достигнуть (а иногда и превысить) предела текучести материала. Исследования показали [1021, что в образовании остаточных напряжений в этом случае доминирующую роль играет тепловой фактор.

Растягивающие остаточные напряжения с максимумом у линии раздела «диффузионный слой—подложка» (рис. 15, б, справа) могут иметь место, например, при химико-термической обработке поверхностно-обезуглероженных сталей. Иногда наибольшее значение сжимающих и растягивающих напряжений вследствие релаксационных явлений находится не у самой поверхности, а на некоторой глубине (рис. 15, в).

поверхностных слоев и наличие дефектов [133]. Например, возникающие в поверхностном слое при механической обработке растягивающие остаточные напряжения обычно снижают предел выносливости, сжимающие, наоборот, могут улучшить прочностные характеристики. Это влияние особенно сказывается на деталях, работающих при знакопеременных нагрузках и высоких температурах. Поэтому для них важно выбрать оптимальный технологический процесс обработки, обеспечивающий необходимые физические параметры поверхностного слоя.

Испытания компактных образцов из алюминиевого сплава 7017-Т651 были выполнены при изменении среднего напряжения цикла от минус 0,5 кН до минус 1,5 кН при неизменной амплитуде цикла 0,5 кН с частотой 5 Гц и 25 Гц в условиях предварительного создания сжимающей перегрузки [21]. Образцы имели толщину 10, ширину прорези 2 и радиус в ее вершине 0,1 мм. Предварительное сжатие создавали нагрузками трех уровней — 6, 8 и 10 кН. Исследование распределения остаточных напряжений показало, что растягивающее напряжение после перегрузочного сжатия имеет место на расстоянии от дна надреза 1-2 мм для минимального и максимального уровня сжимающей нагрузки соответственно. На большем расстоянии имели место остаточные сжимающие напряжения. Переход к циклическому нагру-жению показал, что распространение трещин происходило только в пределах зоны остаточных растягивающих напряжений. Наибольшей длины, соответствующей глубине распространения остаточных растягивающих напряжений, трещины достигали при отнулевом сжимающем цикле нагружения. С возрастанием сжимающей части асимметрии цикла происходило уменьшение критической длины, при достижении которой развитие трещины прекращалось. Следовательно, перед вершиной распространяющейся трещины в пределах зоны пластической деформации всегда имеются растягивающие остаточные напряжения. Если в цикле приложения нагрузки положительные остаточные напряжения не могут быть созданы в результате пластической деформации, усталостная трещина распространяться не будет при любой положительной асимметрии цикла, когда максималь-

Для выявления истинных свойств материала необходимо, чтобы в надрезе не создавался обезуглероженный слой, не происходили структурные изменения, не возникал наклеп и не наводились сжимающие или растягивающие остаточные напряжения.

Известно, что наличие поверхностного наклепанного слоя приводит к повышению усталостной прочности при нормальной температуре. Однако некоторые технологические ошибки операции наклепа могут привести к существенному снижению выносливости. Отмечались случаи возникновения благоприятных остаточных сжимающих напряжений на одной поверхности трубчатых деталей (лопастей вертолета) и неблагоприятных растягивающих на другой, при двустороннем наклепе растягивающие остаточные напряжения возникают в центре сечения. Поэтому необходима оптимальная степень наклепа. Анализ усталостных изломов деталей с наклепанным поверхностным слоем по расположению очага может указать на наличие неблагоприятной эпюры напряжений. Очень существенно снижается усталостная прочность наклепанных изделий после нагрева. Так, для алюминиевых сплавов нагрев при 180—200°С в течение 10 ч приводит к тому, что свойства наклепанных образцов становятся ниже ненаклепанных.

Дальнейшее развитие теории нераспространяющихся усталостных трещин при асимметричных циклах напряжений с целью учета влияния присутствующих в деталях остаточных напряжений было сделано в работе [32]. Как уже отмечалось, если асимметрия цикла напряжений характеризуется коэффициентом R>RA, в вершине концентратора возникают благоприятные остаточные напряжения сжатия, а если R
тия остаточных напряжений, которые могли возникнуть в процессе резки, строжки, сверления и т. д. Затем для создания в них начальных остаточных напряжений автоматической сваркой наплавлялись продольные валики. Как и в предыдущих исследованиях, в зависимости от расположения валиков относительно продольной оси пластины в зоне надреза создавались растягивающие или сжимающие остаточные напряжения (см. рис. 3). Максимальные растягивающие остаточные напряжения были близки к пределу текучести, а наибольшие сжимающие составляли 2/3 его значения. В эталонном образце остаточных напряжений не было. Следует подчеркнуть, что наплавка валиков не приводила к изменению механических свойств основного металла вдоль фронта распространения усталостных трещин.

В основном трещины коррозионного растрескивания возникают в швах сварных конструкций, а также в конструкциях, подвергнутых деформации (штамповка, развальцовка, гибка). Есть все основания считать, что основной причиной коррозионного растрескивания сварных конструкций являются высокие внутренние растягивающие остаточные напряжения, возникающие при сварке. Местный нагрев в процессе сварки вызывает пластическую- деформацию металла, что в конечном счете приводит к возникновению в зоне шва остаточных растягивающих напряжений. Кроме того, зона шва характеризуется более отрицательным значением электродного потенциала. Это способствует локализации на ней коррозионных процессов, приводящих к зарождению трещин растрескивания.

При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины (тем не менее разрушается чугун вязко, излом чашечный, но ар очень мала), и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).

Разрушение металла, вызываемое одновременным воздействием агрессивной среды и переменных растягивающих напряжений, называется коррозионной усталостью. В химической промышленности нередки случаи такого разрушения деталей аппаратов и машин. Разрушение вследствие усталости обычно сопровождается образованием меж- и транскристаллитных трещин, развитие которых идет главным образом в период приложения растягивающих напряжений. В условиях переменных напряжений разрушение металлов и сплавов происходит при напряжениях, меньших чем напряжения, необходимые для возникновения коррозионного растрескивания при растягивающих нагрузках.

Для обеспечения долговечности стали с полимерным покрытием при циклических и растягивающих нагрузках в сероводородсодержащих средах необходимо понизить проницаемость пленки. Поэтому используют многослойные системы покрытий, в том числе на основе различных материалов. Для защиты от коррозии оборудования в жестких условиях, содержащих сероводород и кислород, используют систему покрытий, состоящую из 5 слоев шпатлевки ЭП-0010 и 5 слоев эмали ЭП-773 при общей толщине слоя 190 мкм.

Зависимость сопротивления сдвигу от уровня всестороннего давления (величины средних сжимающих напряжений), следующая по результатам работ [14, 187] и обсуждаемая в работе [188], влияет на ход кривой сжатия при нагрузке и разгрузке. Однако при условии, что упругий участок на кривой разгрузки не снижает давление до величины ниже нуля при экспериментальной регистрации движения свободной поверхности (или давления, соответствующего адиабате сжатия «мягкого» материала при регистрации давления на границе образца с «мягким» материалом), определение величины растягивающих напряжений как точки пересечения лучей, исходящих из максимума (точка 1) и минимума (точка 2) скоростей (давлений), автоматически учитывает зависимость сопротивления сдвигу от давления, поскольку влияние последнего сказывается только на положении точек 1 и 2 (штриховая диаграмма на рис. 117, а). Угловой коэффициент луча 2К, при этом определяется жесткостью упруго-пластического сжатия в области отрицательных давлений. Из-за отсутствия в настоящее время данных о жесткости материала при одноосном деформировании в области растягивающей нагрузки приходится либо использовать жесткость, определенную при малых растягивающих нагрузках, либо принимать допустимым использование одного закона объемного сжатия в плоских волнах для области растягивающих и сжимающих нагрузок. Следует отметить, что, по данным работы [21], давления до 100-103 кгс/см2 в стали 20 и алюминиевом сплаве В95 не оказывают существенного влияния на сопротивление сдвигу.

Установленная в работе [60, с. 73] зависимость деформации неустановившейся радиационной ползучести графита от приложенного напряжения в степени 1,8 соответствует такой же зависимости для деформации термической ползучести при растягивающих нагрузках в интервале температуры 2000—2800° С [59, с. 63].

радиационной ползучести этих материалов показали, что они обладают одинаковой скоростью установившейся ползучести при 300—500° С как при сжимающих, так и при растягивающих нагрузках (рис. 3.43). Полученные различными авторами значения приведенной скорости установившейся ползучести удовлетворительно укладываются на одну кривую температурной зависимости (рис. 3.44).

Влияние диаметра и шага резьбы. Результаты испытаний резьбовых соединений при осевых "растягивающих нагрузках показали, что при недостаточной высоте гайки происходит поломка соединения вследствие разрушения резьбы. Для повышения несущей способности резьбы увеличивают высоту гайки (длину свинчивания соединения). На рис. 5.6 приведена типичная зависимость силы, разрушающей соединение, от длины свинчивания. Светлыми точками на кривых обозначено разрушение резьбы, темными — обрыв стержня по резьбовой части вне корпуса. Материал гаек — сталь 45 нормализованная (сгв = 680 МПа), болтов — сталь 45 термоулучшенная (ав = 950 МПа). Кривые 1 получены при испытании соединений с диаметром резьбы d = = 32 мм, кривые 2 — d = 24 мм, кривые 3 — d = 18 мм, кривые 4 — d = 12 мм, кривая 5 — d = 6 мм.

Рис. 5.24. Зависимость несущей способности резьбовых соединений от отношения Ящнп/^! при статических растягивающих нагрузках;

деформации в вершине трещины и возможность остановки разрушения отрывом в результате пластического затупления вершины трещины (рис. 1.8, б). Это, в свою очередь, приводит к локализации сдвига в узкие полосы при растягивающих нагрузках (рис. 1.8, в). Так как материал прочный, то его оставшаяся способность к деформационному упрочнению невелика и деформация сдвига локализуется в одной полосе. На следующем цикле нагружения отрыв начинается на той ветке трещины, которая ориентирована примерно в плоскости отрыва.

При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины (тем не менее разрушается чугун вязко, излом чашечный, но ар очень мала), и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).

Если необходимо конструкционное решение, связанное с наличием многих отверстий, то между ними должно быть предусмотрено определенное расстояние. Расстояние между смежными рядами определяется по центрам отверстий в каждом ряду (рис. 22.4, а). Чаще всего это расстояние выбирается равным пяти диаметрам отверстий, что соответствует достаточно большому запасу прочности. В случае необходимости конструкторского решения со многими рядами отверстий расстояния между внешними рядами должны быть больше, чем между внутренними, так как при растягивающих нагрузках в соединении на них приходится большее Усилие'.