Возникновение разрушения

Направления прозвучивания выбирают, исходя прежде всего из соображений обеспечения надежного обнаружения характерных для данного изделия реальных дефэктов. Для этого на основании анализа чертежей и технологии изготовления с определенной вероятностью устанавливают преимущественные координаты, ориентацию, размеры, форму дефектов, которые могут образоваться в готовом изделии. Такой анализ позволяет выявить слабые места конструкции, на которые при контроле следует обратить особое внимание. Например, в сварных сосудах это места пересечений продольных и кольцевых швов, .подверженных знакопеременным нагрузкам; в цилиндрических поковках, роторах — центральная зона с концентрацией неметаллических включени и; в изделиях с плакирующим слоем — зона сплавления основного и наплавленного металла с возможными отслоениями; в изделиях сложной формы — галтельные переходы, выточки, пазы, где возможно возникновение поверхностных трещин, и т. д. Для некоторых дефектов преимущественные координаты и ориентация пол-

Грузоподъемные механизмы (машины) достаточно широко используют в угольной промышленности. Ответственные и нагруженные детали — грузозахватные органы (крюки) и элементы подвески (траверса-вилка, ось), в которых в процессе эксплуатации возможно возникновение поверхностных усталостных трещин. Для своевременного обнаружения этих дефектов необходима профилактическая дефектоскопия. Так, на литейных кранах дефектоскопии должны подвергаться следующие детали: пластинчатые крюки, оси с резьбой, резьбовая часть вилок пластинчатых крюков, хвостовиков и вилок штампованных или кованных крюков; балансиры и оси балансиров, оси блочных подвесок, оси и валы барабанов, несущие элементы металлоконструкций кранов. Крюки грузоподъемных машин, транспортирующих расплавленный металл и жидкий шлак, контролируют не реже одного раза в год. Необходимость и периодичность проверки других деталей подвески устанавливает администрация предприятия.

Рис. 8.26. Возникновение поверхностных состояний:

Если считать, что процесс усталостного разрушения на стадии возникновения усталостной трещины состоит из двух этапов (1 — возникновение поверхностных трещин в результате скольжения в наиболее благоприятно ориентированных зернах и 2 — преодоление трещиной границы зерна и распространение ее на несколько зерен), то можно предположить, что на первом этапе основное влияние на разрушение оказывают амплитуда касательных напряжений и их градиент, а на втором — максимальные нормальные напряжения. Таким образом, параметром, которым различаются переход от первого ко второму этапу развития начальной усталостной трещины при изгибе и кручении, является критический размер трещины. При изгибе это примерно одно-два кристаллических зерна, при кручении — площадка размером до 1 мм. Сопоставление числа первичных усталостных трещин, возникающих на поверхности образцов при кручении и изгибе, в условиях действия критического напряжения сдвига на базе 107 циклов нагружения, показывает, что при кручении начальных трещин образуется значительно больше (табл. 10).

ППД, широко и эффективно применяемое для повышения сопротивления усталости разнообразных деталей машин, сопровождается появлением ряда особенностей поверхностного слоя. Основными из них являются возникновение остаточных напряжений сжатия, изменение удельного объема и механических свойств (увеличение прочности и уменьшение пластичности), а также возникновение поверхностных трещинок-надрывов. Большинство этих особенностей поверхностно-наклепанного слоя благоприятны, а остальные не имеют существенного значения, когда речь идет об обычной многоцикловой усталости. В этом случае процесс разрушения связан с накапливанием микропластических деформаций в локальных объемах металла, а основное проявление наклепа осуществляется через воздействие благоприятно распределенных остаточных напряжений.

и процессом взаимодействия воды с неокисленной поверхностью металла [57]. Возникновение поверхностных слоев на металлах и их рост во времени также подчиняется логарифмическому закону (для т>1 мин). Химическое взаимодействие предварительно сформированного оксида на металле с адсорбированными молекулами воды на таких металлах, как цинк и кадмий, внешне неотличимо от хемосорбции на свежеобразованной поверхности. Определяющим фактором в процессах разрушения кристалической решетки оксида или металла при атмосферной коррозии является толщина физически сорбированной пленки влаги. Связь между количеством обрати-

щаются не симметрично, что вызывает поляризацию и возникновение поверхностных электрич. зарядов (прямой пьезоэффект); при наложении на такие тела электрич. поля они деформируются в соответствии с величиной приложенного поля (обратный пьезоэффект).

При увеличении содержания меди растут: временное сопротивление; предел текучести; прокаливаемость .(0,1 — 0,2 % Си удваивает прокаливаемость нелегированных инструментальных сталей); растрескивание при пайке; склонность к окалинооб,-разованию (обогащение медью под слоем окалины, проникновение меди от поверхности внутрь металла вдоль границ зерен — возникновение поверхностных трещин); образование термических трещин; жидкоте-кучесть (1 — 2 % Си в сером чугуне); спе-каемость (порошковая металлургия) ; стойкость против ржавления (при ~0,3 % Си в строительных и ~ 2 % Си в легированных сталях), при этом критическая скорость охлаждения уменьшается.

При увеличении содержания меди растут: временное сопротивление; предел текучести; прокаливаемость (0,1—0,2 % Си удваивает прокаливаемость иелегирован-ных инструментальных сталей); растрескивание при пайке; склонность к окалинооб-разованию (обогащение медью под слоем окалины, проникновение меди от поверхности внутрь металла вдоль границ зерен — возникновение поверхностных трещин); образование термических трещин; жидкоте-кучесть (1—2 % Си в сером чугуне); спе-каемость (порошковая металлургия); стойкость против ржавления (при ~0,3 % Си в строительных и —2 % Си в легированных сталях), при этом критическая скорость охлаждения уменьшается.

щаются не симметрично, что вызывает поляризацию и возникновение поверхностных электрич. зарядов (прямой пьезоэффект); при наложении па такие тела электрич. поля они деформируются в соответствии с величиной приложенного поля (обратный пьезоэффект).

Реальные слоистые пластики имеют многонаправленное армирование, и можно не сомневаться, что основная причина начала разрушения — расслаивание по границе раздела волокно — матрица от растяжения. В разд. II было показано, что растягивающие напряжения на поверхности раздела могут возникать как от растягивающей, так и от сжимающей нагрузки в направлении, как параллельном, так и перпендикулярном к группам волокон. Изменение температуры в любую сторону относительно равновесного состояния также вызывает растягивающие напряжения на поверхности раздела. Большинство отмеченных выше исследований поврежденности касается приложения однократных или повторяющихся растягивающих нагрузок перпендикулярно одной из групп волокон в композите. При таких условиях продольные волокна могут считаться обеспечивающими упрочняющий эффект, а поперечные волокна —ответственными за возникновение разрушения.

На рис. 15 показано возникновение разрушения в одном из продольных слоев ортогонально армированного композита. Картина существенно отличается от поведения ортогонально армированных стеклопластиков, где разрушения начинаются в поперечных слоях [4]. Различие в поведении, вероятно, обусловлено

мальных нормальных напряжений (Af-плоскости) большую эффективность приобретают процессы осаждения вакансий на поверхности микропоры, превращающие ее в трещину. В зависимости от величины обоих напряжений предопределяются условия для преимущественного развития процесса коагуляции или процессов осаждения вакансий и, как следствие, возникновение разрушения по S- или по Af-плоскости.

Факторы, ответственные за возникновение разрушения деталей машин и сварных соединений в условиях низких температур, более подробно рассмотрены в последующих главах книги. Коротко остановимся на трех из них, на которые особенно следует обращать внимание при эксплуатации машин и конструкций на Севере: увеличение хрупкости материала при понижении температуры, приводящее к полной или частичной потере им вязкостных свойств; наличие концентратора напряжений (канавка, отверстие, дефект сварного шва, сварочный «ожог», трещина и т. д.); статическая или динамическая перегрузка.

При температурах, для которых на накопление деформаций и возникновение разрушения влияет время, т. е. когда проявляется ползучесть и длительное статическое повреждение, скорость развития трещин чувствительна к скорости деформирования, а в связи с этим и к частоте. Для описания процесса развития трещины привлекается условие циклического разрушения (5), отражающее частотный эффект, при этом для малоцикловой усталости второй член может быть опущен. Скорость распространения трещины предлагается [41] выразить, во-первых, в форме, напоминающей зависимость от интенсивности деформации

понимают отношение работы, затрачиваемой на распространение повреждения, к работе, которая расходуется на возникновение разрушения:

Информация о действительной нагруженности и несущей способности — важный элемент при решении вопросов расчета конструкций, совершенствования их схем и форм, применения поверхностного упрочнения и других способов повышения эксплуатационной надежности и ресурса. Далее рассматриваются некоторые вопросы оценки вероятности неразрушения (надежности) в связи с условиями нагружения и несущей способностью элементов конструкций. Отказы по прочности, оцениваемые как возникновение разрушения, повреждение опасными трещинами или недопускаемые деформации, могут возникать в результате однократных или кратных перегрузок как статических, так и динамических или же вследствие наличия дефектов, достаточных для разрушения элементов конструкций при свойственном им уровне эксплуатационной нагруженности. Разрушения такого типа рассматриваются как статические, их вероятностная оценка осуществляется с учетом кратности статического нагружения, статистики возможных статических нагрузок и дисперсии статической прочности во внересурсной постановке. Это, например, уже давно делается в области оценки надежности строительных конструкций, гидротехнических сооружений и ряда других, нагруженных в основном статической нагрузкой.

Эффективность разрушения образца зависит от эффективности сращивания вакансий ,в колонии и осаждения вакансий на поверхности микропор. Вакансии 'появляются при движении дислокаций в плоскостях наибольших касательных напряжений (S-плоскости). Если в этой плоскости отсутствуют нормальные напряжения, то образование пор может происходить только за счет объединения вакансий. Разрыхление кристаллической решетки в них, прилежащих к S-плоскостям, рассматривается Одингом как результат повышения пористости металла вследствие коагуляции вакансий. Повышение пористости в 5-плоскостях приводит к локальному снижению прочности металла. В тот момент, когда напряжение от внешних сил окажется больше предела прочности в локальном объединении, наступает локальное разрушение. При наличии максимальных нормальных напряжений (Л'-плоскости) большую эффективность приобретают процессы осаждения вакансий на поверхности микропоры, превращающие ее в трещину. В зависимости от величины обоих напряжений предопределяются условия для 'преимущественного развития процессов коагуляции или процессов осаждения вакансий и, как следствие, возникновение разрушения по 5- или по А/-ПЛОСКОСТИ.

мальных нормальных напряжений (W-плоскости) большую эффективность приобретают процессы осаждения вакансий на поверхности микропоры, превращающие ее в трещину. В зависимости от величины обоих напряжений предопределяются условия для преимущественного развития процесса коагуляции или процессов осаждения вакансий и, как следствие, возникновение разрушения по S- или по N-плоскости.

Цикличность нагружения с соответствующими скоростями, температурами и длительностями при одновременном изменении механического поведения применяемых конструкционных металлов приводит к тому, что и размеры зон пластичности, и величины местных напряжений и деформаций в этих зонах становятся переменными в процессе нагружения, существенно усложняя расчетное и экспериментальное определение поцикловой кинетики напряженно-деформированных состояний и достижения соответствующих предельных состояний. Сами виды предельных состояний оказываются зависящими от конструктивных форм, материалов, условий эксплуатации, уровня дефектоскопического контроля. Основными видами предельных состояний для указанных выше машин и конструкций и условий нагружения являются образование однократных недопустимых деформаций (за счет упругопластических деформаций и деформаций ползучести), потеря устойчивости, образование однократного разрушения (вязкого или хрупкого), появление макротрещин циклического нагружения, возникновение разрушения вследствие циклического развития трещин, возникновение остаточных изменений формы вследствие повторных неупругих деформаций. Первые три вида предельных состояний в значительной степени базируются на анализе номинальной напряженности преимущественно от механических нагрузок в упругой и упругопластической области и получили достаточное отражение в исследованиях и расчетах несущей способности [2—4]; три последних вида предельных состояний предполагают изучение кинетики местных напряжений и деформаций в нелинейной циклической постановке. Систематические исследо-

Деформация при штамповке из жидкого металла в отличие от объемной горячей штамповки протекает в условиях всестороннего неравномерного сжатия, при почти полном отсутствии растягивающих напряжений. Такого рода деформация почти исключает возникновение разрушения хрупкого металла.