Файл: Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов.pdf

жесткостью, для которого yi < 1 . Такое напряженное состояние

7

возбуждается, например, в случае обжатий, при сочетании обжатия с вытяжкой изделий из металлов. В технологических разработках рассматриваются: сопротивление обрабатываемых деталей пласти­ ческому деформированию, предельные неразрушающие деформации, нагрузки на технологическое оборудование. Количественное опреде­ ление указанных технологических параметров опирается на экспе­ риментальные кривые сгш , jv — еш, iv (см. Рис26), охватываю­ щие сопротивление пластической деформации вплоть до разрушения.

Г Л А В А IV • СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ В УСЛОВИЯХ,

НЕ БЛАГОПРИЯТСТВУЮЩИХ РАЗВИТИЮ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

§ 24

Факторы, не благоприятствующие пластичности при работе материала в составе конструкции

В предыдущей главе рассматривалось сопро­ тивление деформированию и разрушению после большой пластичес­ кой деформации с сопутствующим выгодным перераспределением напряжений и значительным деформационным упрочнением. Ука­ занным образом срабатывает материал в составе конструкции, если при предельном состоянии складывается благоприятное соотношение между механическим фактором, обусловленным нагружением, и физи­ ческим фактором, обусловленным свойствами материала. При этом механическим фактором служит безразмерный параметр жесткости напряженного состояния -у i , а физическим фактором — реологи-

7

ческая характеристика материала уотр. Условие пластичности в слу­ чае предельного состояния представлялось неравенством (17), запи­ санным в виде Yi <УотрРациональным проектированием и про-

7

грессивной технологией в большинстве случаев обеспечивается рас­ смотренное благоприятное условие работы материала в составе кон­ струкций. Этим достигается высокое сопротивление повреждению и разрушению при внешних механических воздействиях на конструк­ ции.

Менее благоприятными оказываются условия (16) и (18), согласно которым 7 i ^ 70Тр. что свидетельствует об угрозе хрупкого разру-

7

79

шения в случае предельного состояния, вызванного перенапряже­ нием. Исключительно большая опасность хрупкого разрушения общеизвестна. Поэтому важно знать, в каких случаях параметр жест­ кости напряженного состояния yj_ чрезмерно возрастает, а реологи-

реходом от осевого растяжения к некоторым случаям плоского ра­

А. Ф. Иоффе [33], в которой он использовал свойство каменной соли проявлять двойственную природу прочности в зависимости от температуры эксперимента и от скорости деформирования с ха­ рактерным переходом под влиянием этих внешних факторов от пла­ стичного состояния к хрупкому. Для испытания на осевое растяже­ ние при разных температурах, из монокристаллов каменной соли изготовлялись гладкие образцы. При температурах, близких к ком­ натной, каменная соль разрушалась хрупко, и определение сопротив­ ления отрыву аотр не представляло затруднений. Пластическая де­ формация становил ась возможной при смачивании поверхности образ­ цов водой, что устраняло трещины и тем самым исключало хрупкое разрушение. Применение смачивания позволяло определять предел текучести стх как сопротивление начальной пластической деформа­ ции. В условиях повышенных температур пластическая деформация опережала разрушение, что облегчало нахождение предела текучести,

80

но затрудняло определение хрупкой прочности. Однако при повы­ шенных температурах оказалось возможным вызывать хрупкое разрушение путем динамического приложения нагрузки, поскольку с возрастанием скорости нагружения и, следовательно, скорости деформирования сопротивление пластической деформации повы­ шается и отрыв наступает раньше, чем материал начинает течь. Ди­ намическое испытание позволило находить сопротивление отрыву даже при нагреве каменной соли, близком к температуре плавления. Экспериментальные данные, полученные при испытании каменной соли, обобщены А. Ф. Иоффе схемой, представленной на рис. 58 [33]. Схема свидетельствует о независимости напряжения аотр от скорости деформирования и от температуры, а также о снижении предела текучести под влиянием нагрева и, следовательно, размяг­ чения каменной соли. Сингулярная точка — точка пересечения ли­ ний аотр и сгт—соответструет критической температуре хрупкости

ных напряженных состояний, вызываемых механическими факто­ рами.

Плоское растяжение как неблагоприятствующее напряженное состояние при эксперименте воспроизводится на образцах оболочеч­ ного типа, например на тонкостенных трубках, подвергаемых дей­ ствию внутреннего давления и осевого растягивающего усилия. Это дает возможность возбудить любой случай плоского растяжения с па­

1,155. Плоское растяжение испытывает также материал выпуклой стороны изгибаемых пластин. Напряжения плоского растяжения образцов в виде оболочек или пластин достаточно легко определяются аналитически и экспериментально. Исключение представляют места закреплений и присоединенных элементов, в которых возбуждаются местные напряжения.

Объемное растяжение, являющееся также неблагоприятствую­ щим напряженным состоянием, возбуждается на образцах с надрезом, расположенным в растянутой области. С заострением надреза объем­ ность напряженного состояния становится отчетливее. При углубле­ нии надреза расширяется область такого состояния. Однако оно сосредоточивается в малом объеме, исключающем эксперименталь­ ное определение значения главных напряжений по замерам деформа­ ций. Аналитическое определение составляющих напряжений объем

ного растяжения в зоне надреза также встречает трудности. Возбу­ ждение эффективных объемных растягивающих напряжений в макро­ скопическом объеме образца до сих пор остается темой исследования. Представленные варианты напряженных состояний охватывают все возможные напряженные состояния, менее благоприятствующие развитию пластической деформации, чем осевое растяжение гладких

образцов.

Теперь рассмотрим, каким обра­

совместно действие механических, физических и геометрических факторов, можно заключить, что неблагоприятными для пластичности условиями при испытании образцов в виде оболочек, пластин и осо­ бенно надрезанных образцов являются повышенные скорости де­ формирования и охлаждение. При этом на образцах больших раз­ меров материал оказывается менее пластичным, чем на малых образрах. При прочих равных условиях из нескольких исследуемых мате­ риалов наиболее конкурентоспособным и предпочтительным является тот, который труднее всего переводится из пластичного состояния в хрупкое.

§ 26

Сопротивление плоскому растяжению материала оболочек и пластин

Как уже говорилось, плоское растяжение воз­ буждается в стенках оболочек под действием внутреннего давления, а также на выпуклой стороне изгибаемых пластин. В цилиндрической оболочке диаметром D с толщиной стенки t согласно «котельной фор­ муле» давление р вызывает следующие главные напряжения: в про-

третье главное напряжение, направленное радиально, можно рассмат­ ривать как о3 = 0.

82

ризующие жесткость напряженного состояния и энергосодержание материала оболочек при изменении упругодеформируемого объема

¥

предела текучести при осевом растяжении. При наступлении теку­ чести потенциальная энергия изменения объема плоскорастянутого материала оболочки оказывается значительно больше, чем в случае текучести при осевом растяжении. Принимая по формуле (13) аа =

= Y 8 , выражение потенциальной энергии изменения объема

Т 6

3(1 — 2р) Стд

U 0 = - ----- кв------ можно записать:

(1 — 2р) у\о\

Как видно, текучесть плоскорастянутого материала оболочки наступает при накоплении потенциальной энергии изменения объема,

честь ее материала должна наступать при напряжении, равном пре­ делу текучести при осевом растяжении и при накоплении потенци­ альной энергии изменения объема в 4 раза большем, чем при осевом растяжении ^Ys = 22 = 4j. Об увеличении опасности хрупкого

разрушения плоскорастянутых элементов по сравнению с элемен­ тами, подвергающимися осевому растяжению, свидетельствуют

значения параметра у 8 , характеризующего отношение напряжения, ¥~

прёдопределяющего потенциальную энергию изменения объема, к напряжению, связанному с потенциальной энергией изменения формы [см. формулу (13')]. По сравнению с единичными значениями при осевом растяжении параметр Ys достигает величин 1,73 для

Т

цилиндрической оболочки и 1,46— для пластины, изогнутой по цилиндрической поверхности (см. табл. 2).