Файл: Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 111
Скачиваний: 4
й л о га р и ф м о в д о л го в еч н о ст ей
(lgA0cP =
для п образцов, испытанных при разных уровнях напряжении до разрушения, т. е. при числе циклов, меньшем базового.
Далее следует определить среднеквадратические отклонения
Ос |
(а — оср)2 |
и tflgTV |
£ [ l g y y - ( i g A O c p ] 2 |
п — 1 |
п — 1 |
а также корреляционный момент
У (О — сгср) [l g JV — ( lg А/)СрЗ
Me, igN = ~ -------------
Рис. |
97. Графическое представление |
экспериментальных данных |
|
по |
усталости: а — область рассеяния усталостной |
долговечности |
|
при высоких и низких предельных |
напряжениях; |
6 — построение |
|
|
кривой усталости. |
|
Коэффициент корреляции случайных величии о, \g N вычисляют
по формуле |
|
|
i g N |
(73) |
|
aoa lg N |
||
|
Коэффициент г имеет дробное отрицательное значение соответ ственно отрицательному угловому коэффициенту исследуемой пря мой в полулогарифмических координатах о — N. При достаточном приближении зависимости между случайными величинами о и N к линейной, значение г приближается к —1. Эту зависимость можно
представить уравнением
о = оср + г |
[lg N — (lg N)cp\. |
(74) |
0lg N
Задаваясь значениями N (например, 104 и 106 циклов) и абсцис
сами N, можно найти ординаты (о)д?=ю* и (o)n=10е и п0 двум точкам провести прямую, соответствующую 50%-ной вероятности разруше
ния или неразрушения образцов.
140
В некоторых случаях рассеяние опытных данных становится настолько значительным, что для правильности выводов приходится увеличивать число образцов в серии. В таком случае рекомендуется испытывать серию, состоящую не менее чем из 80 образцов, деля их на группы по 20 образцов и более и испытывая каждую группу на четырех-пяти разных уровнях напряжений, превосходящих предел выносливости исследуемого материала. По результатам испытаний
отдельных |
|
образцов |
на |
|
|
|
||||
каждом |
уровне |
напряже |
|
|
|
|||||
ний |
составляется |
стати |
|
|
|
|||||
стический |
ряд |
по |
значе |
|
|
|
||||
ниям |
логарифмов |
долго |
|
|
|
|||||
вечностей. |
Статистические |
|
|
|
||||||
ряды оформляются графи |
|
|
|
|||||||
чески гистограммой. |
Затем |
|
|
|
||||||
аналитически |
устанавли |
|
|
|
||||||
вается |
кривая |
плотности |
|
|
|
|||||
распределения логарифмов |
|
|
|
|||||||
долговечностей |
для |
каж |
|
|
|
|||||
дого |
уровня |
напряжений |
|
|
|
|||||
(рис. 97, б) и |
берется |
дол |
|
|
|
|||||
говечность, |
соответствую |
|
|
|
||||||
щая |
наибольшей плотно |
Ряс. 98. Линии малоцикловой и многоцикловой |
||||||||
сти распределения. По дол |
||||||||||
говечностям, |
|
найденным |
усталости при симметричном цикле. |
|||||||
для |
каждого уровня |
на |
1 — гладкие образцы; |
2 —образцы |
с концентра |
|||||
торами |
напряжений. |
|
||||||||
пряжений, в полулогариф |
|
кривой |
усталости. |
|||||||
мических |
координатах |
сг— N наносятся точки |
Полученный таким образом график очень близок к наклонной пря мой.
Необходимо отметить, что существуют и более совершенные ме тоды обработки результатов испытаний на усталость большого числа образцов, позволяющие оценивать рассеяние эксперименталь ных данных и находить вероятность неразрушения [36].
Используя рассмотренные в § 36 положения об усталости при пластических и упругих деформациях, можно предложить кусочно линейную аппроксимацию а— N в широких пределах усталостной долговечности (рис. 98). Однократное деформирование с разрушением соответствует действию напряжения SK в течение V4 симметричного цикла. При пластической деформации самое низкое переменное на пряжение равно сгт при долговечности NT. В пределах между напря жениями SKи от кривые усталости образцов гладких и с концентра торами напряжений могут приниматься совмещающимися [16]. В случае упругого деформирования линии усталости для образцов гладких 1 и с концентраторами 2 расходятся. На участке малоцикло вой усталости вместо прямой П. П. Бенхэм дает кривую, направлен ную выпуклостью вверх [4].
Значение предела выносливости зависит от некоторых конструк тивных технологических и эксплуатационных факторов, влияние
141
которых наиболее отчетливо проявляется при напряжениях, зна чительно меньших предела текучести, при высоких усталостных долговечностях и при симметричном цикле. При переменных напря жениях, близких к пределу текучести и вызывающих разрушение
от усталости при числе |
циклов, значительно меньшем базового, |
это влияние для многих |
материалов несущественно. |
Рассмотрим отрицательное действие некоторых факторов на пре дел выносливости при изменении напряжений по симметричному циклу.
Концентрация напряжений. Одним из важнейших факторов, влияющих на предел выносливости, оказывается концентрация на пряжений. Она обусловлена, как уже отмечалось, резкими измене ниями формы: сопряжениями участков разного поперечного сече ния, наличием отверстий, проточек, канавок. Нарушение плавности и неразрывности геометрической формы оказывается причиной возбуждения повышенных местных напряжений, которым свойственна объемность. Концентрация напряжений и их количественное значе ние исследуются экспериментально и аналитически с применением методов теории упругости. При развитии пластической деформации, напряжения в материале перераспределяются, в результате чего местные напряжения выравниваются. Но определение местных
напряжений в пластической области |
оказывается сложнее, чем |
в упругой. Связь местного напряжения |
сгм с номинальным напряже |
нием (тн можно представить в виде теоретического коэффициента концентрации
аа = иН > 1 • |
(75) |
Неизбежные для материала упругие несовершенства заметнее всего проявляются при высоких местных напряжениях. Эти напря жения, вследствие нелинейной зависимости от деформации, в дей ствительности оказываются меньше, чем по теоретическому расчету. Поэтому теоретический коэффициент концентрации напряжений дополняется эффективным коэффициентом концентрации напряже ний, который соответствует достижению материалом предельного состояния (разрушения) от действия местных напряжений, влияющих на значение предела выносливости. Согласно ГОСТ 2860—65, при симметричных циклах эффективный коэффициент концентрации на пряжений определяется как отношение предела выносливости глад кого образца u . j K пределу выносливости образца с концентрацией напряжений сг_1кц, представляемого номинальным напряжением, при прочих равных условиях:
ТСо = |
(76) |
Эффективные коэффициенты концентрации напряжений, опреде ляемые при экспериментах, получили широкое применение в инже нерных расчетах.
Информация об эффективных коэффициентах концентрации для различных конструкционных материалов в зависимости от геометри
142
ческих характеристик концентраторов (отверстия, скругления в пе реходах, тугие посадки, необработанные сварные швы и сварные соединения) содержится в ряде публикаций [26], [59].
Низколегированные судокорпусные стали оказываются чувстви тельнее к концентрации напряжений, чем углеродистые. Об этом свидетельствуют пределы выно сливости, установленные на плоских образцах при напря жениях симметричного цикла, возбуждаемых при плоском изгибе или при осевом дефор мировании. В исследованных случаях отрицательное влияние необработанной поверхности или геометрического концентра тора представляется следую щими эффективными коэффици ентами, меньшие значения ко торых относятся к углероди стой стали, а большие — к низ колегированным сталям.
Коэффициент, свидетельст вующий о влиянии поверхност ной неровности, К„ — 1,1 и-1,2. В отдельных случаях при испы тании образцов из низколегиро ванной стали, изготовленных из элементов, получивших значи тельные эксплуатационные по вреждения поверхности, коэф фициент Кп повышался до зна чения 1,6.
Коэффициенты концентрации в зависимости от геометриче ских факторов имеют следую щие значения:
от надреза, воспроизводя щего поперечную глубокую ца рапину (рис. 99, а), Ка =
= 1,-4-2,3;
от выточки со скруглением, соответствующим отверстию для кре пежа (рис. 99, б), Ко — 1,2-н1,6;
от боковой щели (рис. 99, в)—Ка доходит до 5; от необработанного стыкового шва или от ребра, приваренного'
поперечными угловыми швами (рис. 99, г, д), Ка = 1,4-г-2,3. Характерно, что в последнем случае (см. рис. 99, д), а также при
поперечном надрезе (см. рис. 99, а), пределы выносливости образцов из углеродистой и легированной сталей оказались примерно одина ковыми и составили 14—17 кгс/мм2 [12]. Следовательно, низколе-
ИЗ
тированная сталь, будучи прочнее углеродистой стали в условиях ограниченной циклической долговечности, может утратить это пре имущество в частных случаях: при резких концентраторах напряже ний и при неограниченном числе нагружений.
Самое низкое значение предела выносливости (<т_х = 5 кгс/мм2) получено при наиболее высокой концентрации напряжений, которая возбуждалась в образцах со щелями, прорезанными тонкой фрезой
(см. рис. 99, в).
При осевом деформировании образца предел выносливости ока зался близким к 2/3 предела выносливости при изгибе, при соблюде нии прочих равных условий.
В условиях ограниченной долговечности и при номинальных на пряжениях выше предела выносливости влияние концентрации на пряжений на усталостную прочность образцов, представленных на рис. 99, оказалось слабее, чем при неограниченной долговечности. При этом эффективный коэффициент концентрации напряжений уменьшался, стремясь к единице. При циклических напряжениях, превышающих предел текучести, отрицательное влияние концентра ции напряжений не наблюдалось, что подтверждает справедливость ранее рассмотренной обобщенной кусочно-линейной аппроксимации
(см. рис. 98).
Для теоретического коэффициента концентрации напряжений а„ характерно его повышение до любых больших значений с заостре нием геометрического концентратора напряжений. Однако эффек
тивный коэффициент |
при этих условиях возрастает лишь до не |
которого наибольшего |
значения, а затем становится постоянным, |
но по некоторым экспериментальным данным, полученным И. А. Ра зовым [12], даже может снижаться, вопреки возрастанию теорети ческого коэффициента. Наибольшее значение Ка достигается с за острением надреза до радиуса скругления 0,2 мм. При такой остроте надреза для образцов из судокорпусных углеродистых и низколе гированных сталей, испытанных на осевое деформирование, пределы
выносливости о_%Кц — 7-ь-Ю кгс/мм2 против сг_г == 15ч-28 кгс/мм2 для гладких образцов. Из-за расхождения значений эффективного и теоретического коэффициентов концентрации напряжений может показаться более целесообразным располагать информацией о пер вом из них. Однако многие специалисты считают необходимым в рас четах руководствоваться теоретическим коэффициентом концентра ции напряжений для упругого состояния с пересчетом его на эффек тивный коэффициент. Такой пересчет проводится с помощью допол нительного коэффициента — коэффициента чувствительности к кон центрации напряжений при их переменном действии. В последнем случае предполагается, что коэффициент чувствительности является константой рассматриваемого конструкционного материала с задан ными стандартными механическими свойствами.
Чувствительность материалов к концентрации напряжений при
усталости принято оценивать по следующей формуле: |
|
Ка—1 |
(77) |
9 = «а—! |
144
Для высокочувствительных материалов Ка |
а0 > |
1 и q |
1; для |
среднечувствительных материалов а а > / С а > 1 , |
<7 <1 1- |
Иногда |
встречаются материалы, нечувствительные к концентрации напряже ний, например некоторые серые чугуны, для которых Ка прибли жается к единице, a q стремится к нулю. Коэффициент q связывает линейно эффективный и теоретический коэффициенты концентрации, что, однако, не подтверждается экспериментально. В действитель ности с изменением теоретического коэффициента концентрации напряжений происходит изменение коэффициента чувствительности, вопреки предположению о его постоянстве для данного материала, на что обращают внимание более поздние исследователи. Например, И. А. Разов [12] установил возрастание q с увеличением радиуса скругления надрезанных образцов, другими словами, возрастание q со снижением аа.
Стремясь представить коэффициент чувствительности материалов к концентрации напряжений как константу материала, Е. Г. Мака ров [9] предложил руководствоваться следующей нелинейной за висимостью между эффективным и теоретическим коэффициентами:
|
Ко = < |
(78) |
которая линеаризируется после |
логарифмирования: |
|
lg Ко |
= q lg сса. |
(79) |
Представленные зависимости, в которых q служит константой заданного материала, подтверждаются экспериментальными дан ными, взятыми Е. Г. Макаровым у других исследователей и установ ленными им самостоятельно для умеренной концентрации напряже ний, встречающейся преимущественно на практике. Для редко встре чающейся более высокой концентрации напряжений Е. Г. Макаровым предложена поправка, учитывающая нелинейность диаграммы сопро тивления деформированию применительно , к особенно высоким мест ным напряжениям. При этом принимается во внимание градиент на пряжений в области предельного заострения концентраторов и пред полагается, что местные напряжения на некоторой глубине от по верхности концентраторов выравниваются. При этом отрицательное влияние надреза достигает предела при радиусе скругления его около 0,2 мм, что соответствует предельному значению а апр от 3 до 10 в зависимости от влияния масштаба. Введение поправки привело к интересному выводу о возможности снижения К0 при предельно заостренных концентраторах напряжений, вопреки возрастанию аа и переходу его за предельное значение. Этим можно объяснить прак тически встречающиеся случаи более высокого сопротивления уста лостному разрушению при наличии острых трещин, чем при скруг ленных концентраторах.
Коррозионная среда. Некоторые переменно-напряженные кон струкции и их детали при эксплуатации соприкасаются с агрессив ными средами, вызывающими поверхностную коррозию. К ним отно
сятся корпуса судов, гребные винты, |
узлы машин, |
охлаждаемые во |
дой, например крышка цилиндра и цилиндр дизеля; |
насосы, трубопро- |
|
10 в. а . Бьимв |
|
145 |