Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

если изменение энергии упругих деформаций ые станет равным по величине приросту поверхностной энергии cos, иными слова­ ми, о)е = cos или превзойдет его (критерий Гриффитса для роста трещины), т. е.

Исследования показали, что условие Гриффитса соответству­ ет только конечной предельно быстрой стадии разрушения и что для инициирования начала роста трещин требуется либо более высокое напряжение, чем это следует из условия Гриффитса, либо дополнительная причина, которой является флуктуационный разрыв перенапряженных связей в вершине трещины.

В теории дислокации рассматривается несколько механизмов образования и роста трещин путем торможения и скопления дислокаций на препятствиях (например, у границ зерен), объеди­ нения вакансий, образованных ступеньками на движущихся дислокациях, и др. По данным С. Н. Жуковского и Э. Е. Тома­ шевского, время до разрушения, долговечность под нагрузкой,

Скорость роста трещин, определенная экспериментально, со­ ответствует средней скорости процесса разрушения, характери­ зуемой уравнением (5).

На основании уравнений (12) и (13) и предполагая, что при t = 0 длина трещины / = 0, а по истечении времени трещина пе­

Время т, необходимое для разрушения (разрыва) образца, вычисленное по уравнению (12), совпадает с экспериментальны­ ми данными.

Влияние на процесс разрушения характера изменения на­ грузки. Процессы разрушения материалов сводятся, главным образом, к постоянному росту деформаций и трещин, к посте­ пенному накоплению локальных дефектов. Эти дефекты возни­ кают вследствие необратимого характера последовательных еди­ ничных нарушений (необратимости каждого парциального влияния нагрузки). Необратимость процесса накопления по­ вреждений подтверждается результатами опытов без нагрузки и последующим нагружением; при этом суммарное время пре­ бывания под нагрузкой до разрушения в среднем равно долго­ вечности образцов материалов при непрерывном нагружении.

В случае изменяющегося во времени напряжения — произ­ вольной последовательности напряжений оі, каждому из кото­ рых соответствует долговечность х(сп), причем время действия каждого напряжения равно Аіі, разрыв образца произойдет тог­ да, когда сумма относительных уменьшений долговечности (рас­ полагаемого ресурса) станет равной единице. Для случая дис­ кретной зависимости напряжения а от времени t, когда напря­ жение в отдельных интервалах времени остается постоянным, изменяясь только при переходе от одного интервала к другому, условие разрушения образца будет иметь вид

если напряжение является непрерывной функцией времени а (О, условие разрыва образца выразится следующим образом:

т[0(/)] = Лехр(—ш т (0 )— долговечность при данном напряжении; o(t) — временной режим нагружения.

Условия (15) и (16) характеризуют принцип наложения или суммирования парциальных разрушений; отдельные локальные разрушения суммируются вплоть до предельного состояния, ко­ гда трещина достигает критической величины и происходит раз­ рушение образца.

Эти критерии разрушения основаны на предположении, что доля долговечности, расходуемая в любой отрезок времени, не­ зависима от предыдущего нагружения и температуры. Подразу­ мевается, что время температурного воздействия при незначи­ тельном напряжении или при отсутствии напряжения не оказы­ вает заметного влияния на последующую долговечность. Однако это предположение может оказаться недействительным, напри­ мер, для дисперсионно-твердеющих сплавов (пересыщенных твердых растворов), старение которых способно снизить долго­

вечность до величин, значительно меньших предсказываемых [40, 85]. Ошибка при использовании условий (15) и (16) возмож­ на вследствие структурной неоднородности материала.

Исследования Э. Е. Томашевского показывают, что эти усло­ вия зависят также от степени изменения напряжения на различ­

Процессы разрушения при циклическом режиме нагружения, для которого установлена временная зависимость прочности, и при статическом нагружении обычно противопоставляются друг другу; предполагается, что закономерности разрушения при цик­ лическом и статическом нагружении различны. Однако кине­ тическая теория разрушения твердых тел дает основание счи­ тать, что хотя характер изменения внешней нагрузки оказывает влияние на процессы деформации и разрушения, существует оп­ ределенная общность процессов разрушения независимо от ус­ ловий нагружения; процессы разрушения обусловлены, в основ­ ном, одинаковым механизмом.

Сравнительные исследования В. Р. Регеля долговечностей при статическом и циклическом нагружении тс и тц, проводивши­ еся с учетом соблюдения принципа суммирования разрушений,

копления дефектов под действием циклической нагрузки с меня­ ющейся частотой:

где Л/цред — суммарное число циклов до разрушения образца. Скорость нагружения существенно влияет на механизм раз­ рушения твердого тела. При медленном увеличении нагрузки происходит упругая деформация, затем пластическое течение твердого тела, и наконец, его разрыв. Медленное возрастание механического напряжения может сопровождаться протеканием вторичных процессов в твердых телах и соответствующими обра­ тимыми или необратимыми изменениями свойств тела. При большой скорости нарастания механического напряжения обыч­

но происходит хрупкое разрушение большинства материалов. Из временной зависимости прочности и принципа наложения

(суммирования) парциальных нарушений следует, что материал

может разорваться в процессе разгружения, спада или релакса­ ции напряжения. Действительно, часто разрушение происходит не при начальном приложенном напряжении, если оно действу­ ет достаточно долго), а в процессе разгружения. Если в началь­

се разгрузки наступает разрушение образца, по данным Э. Е. То­ машевского, можно определить из выражения

где ті — долговечность при постоянном значении максимального

разрыва образца при равномерно уменьшающейся нагрузке ско­ рость уменьшения напряжения не должна превосходить некото­ рое предельное значение

Классификация процессов изменения свойств материалов деталей машин, предшествующих появлению отказов

Изменения параметров изделий во времени, обусловленные происходящими в них физико-химическими процессами, явля­ ются наиболее общей причиной отказов деталей. Процесс воз­ никновения отказа представляет собой, как правило, некоторый временной кинетический процесс, внутренний механизм и ско­ рость которого определяются структурой и свойствами материа­ ла, напряжениями, вызванными нагрузкой, и в большинстве слу­ чаев температурой. Вследствие этого классификация отказов технических устройств по их физической природе должна пред­ ставлять собой прежде всего классификацию физико-химиче­ ских процессов, непосредственно или косвенно влияющих на ра­ ботоспособность деталей и возникновение отказов, а также клас­ сификацию условий протекания процессов. Такая классификация процессов может быть проведена по следующим признакам [66]: по типу (классу) материала детали, по месту протекания про­ цессов, влияющих на работоспособность детали, по виду энер­ гии, определяющей характер процесса, по типу эксплуатацион­ ного воздействия, по характеру (внутреннему механизму) про­ цесса

По наиболее существенному для процессов, связанных с из­ менением свойств материалов, критерию (природе сил связи между атомами или ионами и соответствующей кристаллической структуре) различают три основных класса кристаллических твердых тел: металлы, ионные кристаллы и ковалентные крис­ таллы.

Существование указанных классов твердых тел связано с особенностями их зонной энергетической структуры. Различие в величине электропроводности целиком определяется зонной структурой, свойственной данному типу кристалла.

Согласно зонной теории в кристаллической решетке твердого тела вследствие взаимодействия между электронами соседних атомов создается зона энергетических уровней электронов ре­ шетки. Зоны энергии в кристаллах твердого тела подразделяют­ ся на полностью занятые электронами — основные (валентные) зоны и частично или целиком не заполненные электронами — свободные зоны (зоны проводимости). Существенное различие между состояниями двух групп электронов ( в основной и сво­ бодной зонах) определяется различной степенью связи электро­ нов с атомами в этих зонах. В отличие от валентной зоны в зоне проводимости электроны слабо связаны со своими атомами. В общем случае между основной и свободной зонами существу­ ет некоторое энергетическое расстояние АЕ3— запрещенная зона, в отличие от которой основную и свободную зоны называ­ ют разрешенными. Для перехода электрона из основной зоны в свободную его энергия должна превысить верхний уровень ос­ новной зоны на величину, не меньшую АЕ3, переход из одной зоны в другую осуществляется путем поглощения или отдачи электроном этой энергии.

При температуре тела выше абсолютного нуля некоторое ко­ личество электронов, зависящее от температуры п величины за­ прещенной зоны, может обладать необходимой для перехода энергией и находиться в свободной зоне; в основной зоне будет находиться равное количество незанятых уровней. Переход электронов из одной зоны в другую является непрерывным про­ цессом, и состояние, характеризующееся наличием в среднем не­ которого количества электронов в свободной зоне и равного ему количества незанятых уровней в основной зоне, является со­ стоянием динамического равновесия, соответствующего данной температуре тела. Между указанными классами твердых тел нельзя провести резких границ; некоторые кристаллические твердые тела проявляют свойства, характерные для нескольких типов связи.

Корреляция различных характеристик твердых тел и энергии связи между частицами дает важные закономерности для опи­ сания свойств материалов и для их классификации. При клас­ сификации процессов следует различать процессы, происходя­ щие: в объеме материала детали; на поверхности детали, в со­