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

С еще большей частотой действуют вибрационные напряжения корпуса, обусловленные инерционными периодическими силами, которые возникают вследствие динамической неуравновешенности работающих механизмов, а также вследствие действия пульсирую­ щего гидродинамического давления на корпус в районе гребного винта. Из-за пульсирующего давления воды на поверхность лопастей гребного винта, напряжения изгиба лопастей оказываются цикли­ ческими и изменяются знакопостоянно. Величина вибрационных напряжений корпуса зависит главным образом от отношения между частотой свободных колебаний конструкции и частотой инерционных сил, возбуждаемых при работе динамически неуравновешенных механизмов, или частотой изменения давления на корпус потока воды, идущего от гребных винтов.

Вибрация судна по своему характеру может быть общей, охваты­ вающей весь корпус, с характерной для нее сравнительно низкой частотой, или местной (вибрация отдельных элементов корпуса). Напряжения, вызываемые общей вибрацией, можно ослабить кон­ структивными изменениями, которые могут обеспечить необходимое изменение частоты свободных колебаний самой конструкции, что предусматривается обычно при проектировании корпусов. При появ­ лении чрезмерной вибрации на уже построенном судне изменение амплитуд общей вибрации, как правило, достигается изменением частоты возмущающих сил. Изменение существующей изгибной жесткости и веса корпуса или перераспределение статической на­ грузки по его длине являются практически недостижимыми спосо­ бами ослабления вибрации. Благодаря предупреждению сближения частот свободных колебаний корпуса и возмущающих сил, в корпусах эксплуатируемых судов возможны вибрационные напряжения лишь с небольшой амплитудой (такие напряжения при оценке прочности

корпуса обычно не учитываются).

Местной вибрацией могут быть охвачены перекрытия, пере­ борки, балки набора, отдельные пластины, валопровод, которые резонируют при действии инерционных и гидродинамических сил, периодически действующих на корпус. Значительная местная вибра­ ция корпусных конструкций может появляться в результате общей вибрации судна, которая вызывает перемещение опор. Для местной вибрации характерна более высокая частота, чем для общей. При местной вибрации элементов корпуса судна возможны напряжения с чрезмерно большими амплитудами. Эта вибрация иногда служит причиной разрушения от усталости отдельных корпусных конструк­ ций на судах отечественной и зарубежной постройки. Местная вибрация принимается во внимание при оценке местной прочности

корпусных конструкций.

Причиной переменной напряженности деталей судовых машин и оборудования служат изменение давления в цилиндрах поршневых двигателей, изгиб вращающихся частей, вибрация. Переменные напряжения деталей машин обычно оказываются высокочастотными.

Переменные эксплуатационные нагрузки и соответственно напря­ жения судового корпуса, машин и оборудования являются случай­

130

ными величинами. После обработки статистических данных по напря­ жениям, полученных в результате измерений в течение продолжитель­ ной эксплуатации корпуса или машин, можно найти их эмпирическое распределение по частотам (рис. 91), что позволит определить тео­ ретическое распределение плотности вероятностей напряжений как случайных величин и представить его с помощью кривой, облегча­ ющей анализ предельных состояний материала. Действие совокуп­ ности переменных напряжений даже при кажущемся упругом состоя­ нии вызывает выборочно повторно-переменную пластическую де­ формацию податливых структурных составляющих материала, рас­

положенного ОКОЛО М И КрОПОрОКОВ. /Y<5)

Обусловленные микропластической деформацией, упругие несовершен­ ства материалов практически неза­ метны. Однако с возрастанием числа циклов переменных напряжений микропластические деформации обу­ словливают возникновение повре­ ждений в виде микротрещин. Нако­ пление повреждений снижает надеж­ ность, вследствие ослабления способ­ ности материала противостоять пере­

ходу в предельное состояние с возрастанием срока эксплуатации под напряжениями. При наличии перенапряжения, с увеличением

Совокупности напряжений, полностью охватывающей заданное распределение по частотам, может соответствовать весьма большое, иногда практически неограниченное число циклов. При эксперимен­ тальном исследовании явления усталости для судовых условий, соблюдение механического подобия по нестационарное™ параметров цикла представляется затруднительным и обеспечивается лишь частично, в отдельных случаях. Преимущественно же эти исследо­ вания проводятся при стационарных параметрах цикла с изменением напряжения во времени по синусоиде. Параметрами цикла перемен­

В конструкциях достаточно часто встречаются осевая и изгибаю­ щая нагрузки, причем цикл нагружения может быть симметричный и несимметричный. В элементах корпуса и машин действуют остаточ­ ные напряжения от сборки и сварки. Большие статические напряже­ ния могут возникнуть в результате неравномерной загрузки трюмов, танков или цистерн двойного дна и действия тугих посадок.

Переменные напряжения, возникающие при плавании судна на волнении, в сочетании с указанными выше напряжениями создают несимметричный цикл нагружения. Симметричный цикл нагружения является частным случаем. При симметричном цикле действие факторов, отрицательно влияющих на предел выносливости, оказы­ вается самым сильным. В условиях симметричного цикла значение циклической прочности, выраженное через максимальное напряже­ ние цикла, оказывается наименьшим. Поэтому знакопеременное на­ гружение по симметричному циклу часто принимается при экспери­

ментальном изучении усталости различных конструкционных ма­ териалов за основное.

Для усталости, как одного из предельных состояний материала, вызванного перенапряжением, общеизвестны признаки завершающей стадии. Такими признаками служат, например, распространение трещин от очагов местных напряжений, движение этих трещин по главным площадкам, специфический характер макроизлома, имею­ щего трещину усталости с притертой поверхностью, и остаточный излом. Недостаточно изучены и систематизированы признаки, сви­ детельствующие о накоплении повреждения, предшествующего воз­ никновению трещины и излому от усталости. Специалисты до на­ стоящего времени не могут уверенно судить о степени повреждения от усталости и об изменении первоначальных свойств материала, испытавшего многократное действие переменного напряжения. Однако известно, что трещины усталости свидетельствуют о близости предельного состояния материала корпуса судна или машин и о не­ обходимости исправления конструкции в местах повреждения.

При экспериментах повреждаемость, вызываемая циклическим перенапряжением, находит различную оценку. Например, наряду с определением кривой усталости, некоторые исследователи опреде­ ляют кривую повреждаемости, свидетельствующую о способности материала выдерживать кратковременные циклические перегрузки без ущерба для предела длительной выносливости. Можно повре­ ждаемость оценивать по степени влияния кратковременных перегру­ зок на модуль упругости и характеристики прочности ст ат, сгв и SK, на характеристики деформируемости 6 и ф и ударную вязкость надрезанных образцов, на критическую температуру перехода в

хрупкое состояние и на сопротивление хрупкому разруше­ нию стотр.

Увеличение предельных напряжений под влиянием циклического воздействия в течение эксплуатации или эксперимента можно рас­ сматривать как результат упрочнения, т. е. тренировки, а уменьше­ ние — как результат повреждения материала.

Итак, накопление повреждений в материале в связи с циклическим действием напряжений может влиять на хрупкую прочность и на сопротивление пластической деформации. Однако обусловленные хрупкостью или пластической деформацией предельные состояния наступают вследствие действия в основном однократного перенапря­ жения. Рассмотрим особенности предельных состояний материала в случае однократного перенапряжения.

132

Предельное состояние, для которого характерна чрезмерная пла­ стическая деформация, наступает при повышенном напряжении (см. правую часть кривой распределения напряжений на рис. 91).

Предельное состояние с признаком хрупкого разрушения насту­ пает мгновенно. При одинаковой температуре, концентрации напря­ жений, состоянии поверхности и размерах детали, хрупкое раз­ рушение корпусной стали вероятнее при высоких напряжениях, чем при низких. Неблаго­ приятные условия (удары, а с низкая температура, поверх­ ностные повреждения, корро­ зионная среда, накопление эксплуатационных повреж­ дений) могут привести к хруп­ кому разрушению даже при незначительных номиналь­ ных напряжениях.

При экспериментальном исследовании накопления по­ вреждений, а также цикли­ ческой прочности требуются серийные испытания, посколь­ ку данных испытаний одного образца совершенно недоста­ точно. Число испытаний, а вместе с этим и число образ­ цов, увеличивается, если исследовать влияние на ци­ клическую прочность разно­ образных конструктивных, технологических и эксплуата­

ционных факторов и рассеяние результатов испытаний в связи со слу­ чайным характером разрушения от усталости. Еще более усложняется изучение характеристик сопротивления пластической деформации и разрушению, если воспроизводить изменение напряжений согласно вероятностному спектру и рассматривать упрочнение или поврежде­ ние материала в процессе нестационарных переменных нагружений. С целью упрощения экспериментальные исследования приходится

ограничивать.

В большинстве случаев циклическую прочность изучают при действии переменных напряжений со стационарной амплитудой. При этом условии крайние напряжения цикла сохраняются в ка­ честве постоянных параметров. По данным серийных испытаний образцов строятся кривые усталости. Эти кривые представляют собой зависимости между максимальными или амплитудными на­ пряжениями и предельным числом циклов N (циклической долго­ вечностью), при которых наступает излом от усталости или накапли­ вается заданное повреждение (рис. 92). Экспериментальные данные берутся при одинаковых средних напряжениях или при одинаковых

133

коэффициентах асимметрии. Для многих металлических материалов, в том числе и для сталей, кривые усталости имеют вид нисходящей

при которых материал работает за пределом упругости, соответ­

Разрушение от усталости после небольшого числа циклов может возникать в результате макроскопически непрерывной пластической деформации повторно-переменного характера. Исследователи мало­ цикловой усталости предпочитают связывать с циклической долго­ вечностью деформацию, а не напряжение. Определить напряжение трудно из-за его перераспределения в связи с пластической деформа­ цией и вследствие одинаковой возможности процессов упрочнения и разупрочнения материала при возрастании числа циклов. Цикли­ чески стабильные материалы имеют устойчивую зависимость между деформацией и^ возбуждаемым напряжением, характеризуемую по­ стоянной петлей гистерезиса. Для этих материалов при возбуждении напряжений симметричного цикла (рис. 93) амплитуда напряже­ ния сга, а также размах деформаций, полной г и пластической епл, не изменяются с возрастанием числа циклов. Для циклически упроч­ няющегося материала характерна тенденция к снижению пласти­ ческой составляющей деформации и к увеличению амплитуды на-

134