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

могут оказаться настолько значительными, что будут создавать угрозу разрушения от усталости. Примером может служить разру­ шение Такомского моста в США. Мост подвесной конструкции пред­ назначался для движения пешеходов и автотранспорта. Однажды в течение нескольких часов ветер устойчивой скорости и направле­ ния срывал сбегающий с проезжей части моста поток воздуха (явле­ ние флаттера), в результате чего аэродинамические силы стали дей­ ствовать с частотой, близкой к частоте свободных колебаний моста или равной ей. Мост начал раскачиваться, амплитуда колебаний постепенно увеличивалась и достигла такого большого значения, что эксплуатация моста оказалась невозможной. Из-за повторно-пере­ менного действия чрезмерно высоких напряжений, значение кото­ рых явно достигало предела текучести, элементы моста начали ча­ стично разрушаться. Затем проезжая часть, утратившая часть связей, сломалась и рухнула в реку.

При упругих колебаниях и сравнительно невысоких повторно­ переменных напряжениях возникновение и распространение трещин усталости происходит после продолжительной эксплуатации. Такие трещины возникли, например, в переборке одного корабля, резони­ рующей с работающими механизмами. Однако с распространением трещин жесткость переборки уменьшилась, и вибрация стала затухать. Вместе с тем прекратилось дальнейшее распространение трещин усталости.

Рассмотренные кратко примеры позволяют заключить, что раз­ рушение от усталости, обусловленное повторно-переменным действием напряжений, представляется случайным событием. Во-первых, это разрушение предопределяется вероятностным спектром нагружений и их повторяемостью, во-вторых, разрушение зависит от вероят­ ности появления конструктивных дефектов и технологических по­ роков материала, способствующих возникновению трещин усталости. На практике разрушения от усталости оказываются событиями малой вероятности. Это достигается продуманным проектированием, исключающим чрезмерную вибрацию и концентрацию напряжений, а также повышением технической культуры, что позволяет свое­

предопределяющие повреждения материала конструкций

Предельные состояния конструкций, эксплуа­ тируемых под нагрузкой, в основном обусловливаются механиче­ скими повреждениями или разрушениями материала, работающего в составе этих конструкций. Значительное влияние на повреждение оказывают также физические и физико-химические факторы, усили­ вающие действие механических факторов, а иногда и изменя­ ющие в неблагоприятную сторону свойства материалов. К механи­ ческим факторам относятся внешние и внутренние силы, напряже­ ния, деформации и соответствующие им перемещения.

14

Деформация и напряженность взаимосвязаны. Деформация мо­ жет быть упругой, т. е. обратимого характера, и пластической, состоящей из упругой и остаточной частей. Упругая часть деформа­ ции предопределяется изменением размеров атомно-кристаллической решетки. При этом возбуждаются внутренние силы сопротивления деформированию. Атомно-кристаллическая решетка обладает свой­ ством восстанавливать свои размеры после устранения внешнего воздействия, чем и объясняется упругость материала. Деформации количественно представляются геометрическими характеристиками, а интенсивность внутренних сил — напряжением.

Ранее уже были рассмотрены повреждения материалов, рабо­ тающих в составе конструкций. Эти повреждения были обусловлены действием напряжений от технологических, пробных или эксплуа­ тационных нагрузок. Различные материалы, в зависимости от их физических свойств, обладают разной способностью выдерживать без повреждения действие напряжений. На физические свойства материалов, в свою очередь, оказывают влияние температура, ско­ рость деформирования, продолжительность выдержки под напря­ жением, агрессивное действие внешней среды. Так, например, под влиянием нагрева металлические материалы размягчаются, чем облегчается их пластическая обработка. Длительная выдержка под напряжением способствует пластическому последействию и вызывает явление ползучести. Сопротивление пластическому деформирова­ нию в этом случае оказывается значительно меньше, чем при кратко­ временном нагружении. Коррозионная среда оказывает отрица­ тельное влияние на хрупкую и усталостную прочность. Так, под влиянием влажной атмосферы, особенно при наличии аммиака, про­ исходит хрупкое разрушение латунных изделий, длительно испыты­ вающих растягивающие напряжения. Примером служит растрески­ вание гребных винтов, отлитых из латуни и испытывающих действие остаточных растягивающих напряжений, возникающих после за­ варки дефектов. Растрескивание происходит при хранении гребных винтов на открытых заводских площадках [15].

В другом примере (из зарубежной практики) [74] от коррозион­ ного растрескивания страдали латунные гильзы. Эти гильзы дли­ тельно хранились в условиях жаркого, влажного климата Индии, подвергаясь действию растягивающих напряжений от тугой посадки на ружейные пули.

Общеизвестна низкая усталостная прочность стальных пере­ менно-напряженных деталей, работающих при соприкосновении с водой без защиты поверхности. Характерными примерами служат коррозионно-усталостные изломы гребных валов транспортных и рыбопромысловых судов, а также ледоколов. Продолжительное эксплуатационное время таких судов обусловливает высокие цикли­ ческие пробеги гребных валов под переменным действием напря­ жений. Иногда из-за недостаточно надежной защиты от соприкос­ новения с морской водой возникает угроза коррозионно-усталост­ ного разрушения вала с отделением той части, на которую насажен гребной винт. Е. С. Рейнбергом [58] приводятся сведения о таких

15

изломах гребных валов с потерей гребных винтов. Аварии произо­ шли в разных районах Мирового океана. Буксировка судов, утра­ тивших самостоятельный ход из-за потери гребных винтов, и осо­ бенно восстановление гребного вала с винтом требует больших затрат и сокращает эксплуатационное время судов.

Из-за неограниченного разнообразия эксплуатационных напря­ женных состояний элементов реальных конструкций эксперимен­ тально не удается воспроизвести их полностью на образцах. Однако разработаны гипотезы прочности, которые позволяют предельные напряжения, установленные в сравнительно простых условиях, применять для оценки прочности того же материала, работающего при более сложных условиях в составе конструкции. Предельные напряжения, охватываемые кривой сопротивления пластическому деформированию, например предел текучести или временное сопро­ тивление, находятся из испытаний гладких образцов на осевое статическое растяжение. Способность материалов деформироваться пластически в неблагоприятных условиях определяется по данным испытаний надрезанных образцов при возбуждении объемного растя­ жения в зоне надреза. На усталость испытываются образцы гладкие и с концентраторами, преимущественно при повторно-переменном изгибе или при осевом деформировании. При испытаниях образцов на усталость не составляет большого труда обеспечить действие коррозионной среды, если это нужно. В последние годы стали про­ водиться испытания на усталость по программе нагружения в соот­ ветствии с вероятностным распределением эксплуатационных напря­ жений. Однако обработка и обобщение соответствующих данных встречает затруднения и вызывает дискуссию в среде специалистов.

Г Л А В А II • ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЪЕМНОСТИ И ИНТЕНСИВНОСТИ ВНУТРЕННИХ СИЛ

С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ

§4

Упругая и пластическая деформация

Упругость конструкционных металлических материалов объясняется стремлением атомно-кристаллической ре­ шетки восстанавливаться до размеров, при которых потенциальная энергия системы междуатомных связей оказывается наименьшей. Вследствие электростатической природы, междуатомные связи пред­ ставляют собой взаимодействие сил притяжения частиц, имеющих заряды разных знаков, с силами отталкивания частиц с зарядами одинаковых знаков. На рис. 3 представлены силы притяжения и отталкивания'для системы, состоящей из двух атомов, расположен­

16

процесса. Эта величина намного превосходит упругое относитель­ ное удлинение е высокопрочной стали с пределом текучести сгт = = 100 кгс/мм2, для которой оно составляет (в пределах упругости)

Ь 100 = 2 •104 ■100 = 0,005, т. е. 0,5%. Растягивающее напря-

жение, соответствующее наибольшей прочности, по теоретическому расчету может составлять около половины модуля упругости, что

много, они оказывают некоторое упрочняющее действие (рис. 4). Но при всех условиях материал, насыщенный дефектами атомно­ кристаллической решетки, слабее бездефектного материала. Строе­ ние, близкое к бездефектному, имеют нитевидные кристаллы («усы»). Полученные искусственным путем нитевидные кристаллы имеют диаметр иногда меньше микрона, а длина их достигает 12 мм. Сопро­ тивление разрыву разных металлов, установленное экспериментально на нитевидных кристаллах и на обычных образцах из тех же мате­ риалов (табл. 1), свидетельствует о значительно более высокой проч­ ности материала усов [32]. Это объясняется тем, что в материале усов отсутствуют дефекты кристаллической решетки, а в материале обычных образцов указанные дефекты неизбежны. Прочность, достиг-

18