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

Где — наибольшее растягивающее напряжение от всех видов неблагоприятных воздействий, принимаемое за эффективную причину хрупкого разрушения; Фхр— минимальное сопротивление хруп­ кому разрушению материала в конструкции с учетом температур­ ных условий работы.

В. А. Балдин приводит пример расчета, объясняющего хрупкое разрушение нижнего пояса фермы в одном аварийном случае. Ма­ териалом фермы служила сталь марки В Ст.Зкп, для которой ат = 2500 кгс/см2, сгв = 4000 н- 4300 кгс/сма. Коэффициент концент­ рации напряжений при фланговых сварных швах Ка был принят 1,8; коэффициент энергетического импульса k3H = 1,35. Масштабный эффект оценивался через тм = 0,9; комплексный коэффициент технической прочности элементов стальных конструкций в зави­ симости от видов концентраторов напряжений и температуры kat был взят 1,7. Остаточные напряжения сх0СТ не были выявлены и приняты равными нулю. Расчетное напряжение в лопнувшем поясе фермы (Xi = 1430 кгс/см2, дополнительное напряжение за счет жест­ кости узлов сгдоп = 343 кгс/см2. Значение эффективного напряже­ ния установлено по формуле

£(Х = К Ка + Цдоп)/гэн = (1430.1,8 + 343). 1,35 = 3980 кгс/см2.

В зависимости от предела текучести В. А. Балдин считает воз­ можным находить минимальное сопротивление стали хрупкому разрушению по формуле

Фхр = tn„eTkat = 0,9-2500-1,7 = 3830 кгс/см2.

Согласно расчетам, эффективное напряжение а — 3980 кгс/см2 оказалось выше минимального сопротивления стали разрушению Фхр = 3830 кгс/см2, что свидетельствует о невыполнении условия неразрушаемости.

Не приводя других расчетов хрупкой прочности по силовому критерию, можно отметить достаточную произвольность рекомен­ дуемых методов. О произвольности свидетельствует введение боль­ шого числа не вполне убедительных поправочных коэффициентов на номинальное растягивающее напряжение в опасной точке детали конструкции. Также произволен предлагаемый переход от предела текучести стали к ее сопротивлению хрупкому разрушению.

Руководствуясь силовым критерием, можно воспользоваться рассмотренным в § 31 коэффициентном интенсивности напряжений

метр, характеризующий дефект конструкции в виде первичной трещины. По мнению некоторых исследователей, величина k lc может рассматриваться как константа конструкционного материала, вы­ ражающая сопротивление хрупкому разрушению. При выполнении расчета следует задаться значением I согласно практическим данным, а также взять для данного материала экспериментальное значение k lc, затем установить разрушающее напряжение <ткр и проанализи­

197

ровать условие прочности конструкции, поскольку хрупкое разру­ шение под действием напряжения сткр может произойти лишь при совместном действии его с (другими условиями, неблагоприятно влияющими на свойства материала конструкции.

Интересны предложения по расчету сварных соединений сталь­ ных конструкций в случае хрупкого разрушения при напряжениях ниже предела текучести, опубликованные В. А. Винокуровым [14]. В. А. Винокуров задается подобием распределения деформаций в сварном соединении на разных стадиях нагружения вплоть до разрушения, а затем определяет коэффициент запаса пластичности

исследовал деформации в соединениях разных типов на базе Б, удоб­ ной для тензометрических измерений, и нашел экспериментальные

ние значений последнего коэффициента не рассматривалось. Расчеты, рекомендуемые во второй группе предложений, не со­

держат непосредственно значений внешних сил и возбуждаемых ими напряжений. Весьма интересной оказалась предложенная Н. Н. Давиденковым [24] идея расчета, температурного запаса вяз­ кости стальных деталей по формуле

где Тэ и Ткр — соответственно наинизшая температура эксплуата­ ции и критическая температура хрупкости, К. Практическая реали­ зация рассматриваемой идеи встречает некоторые затруднения из-за недостаточной информации для выполнения расчета. Главное за­ труднение обусловлено тем, что критические темпераутры хрупкости применяемых сталей известны преимущественно из лабораторных

198

исследований, проводимых на небольших образцах; критическая температура той же стали, работающей в составе конструкций, может быть иной, а связи между этими критическими температурами обычно отсутствуют. Формула (92) не учитывает случайной природы хрупкого разрушения, что не дает основания нормировать зна­ чение kr. Поэтому целесообразно предложению Н. Н. Давиденкова дать вероятностную трактовку, рассматривая распределения плот­ ности вероятности эксплуатационных и критических температур для данной стали (см. рис. 124, а). В принципе надо учитывать по­ вышение критической температуры хрупкости стали в связи с накоп­ лением эксплуатационного повреждения (штриховая линия).

Площадь со, расположенная под кривыми распределения Тэ и Ткр в области их наложения, свидетельствует о вероятности хруп­ кого разрушения. Сближение кривых распределения эксплуата­ ционных и критических температур следует рассматривать как отрицательный фактор, который может появиться при накоплении эксплуатационного повреждения. При этом площадь со и соответ­ ствующая ей вероятность хрупкого разрушения конструкций воз­ растают. Принимая полную вероятность температур равной единице, гарантию неразрушимости конструкции,по терминологии Н. С. Стре­ лецкого, можно представить в виде

Принимая случайные значения параметра жесткости напряжен­ ного состояния Yj и реологической характеристики стали уотр,

Т

можно, подобно предыдущему, подойти к оценке вероятности хруп­ кого разрушения конструкции. Распределение плотности вероят­

линиями изменившееся вследствие эксплуатационного повреждения распределение значений у 1 и у . Для поврежденной конструкции

7

значения Yi могут возрасти из-за возникновения новых дефектов,

7

усиливающих концентрацию и объемность напряжений, а значения реологической характеристики у0Тр могут уменьшиться. Вследствие изменения значений у г я у их распределения, представленные

7

штриховыми линиями, сближаются, если сравнивать с исходным положением этих распределений. Площадь со, расположенная под кривыми распределения Yi и Т в области их наложения (сплош-

Т

ные линии), свидетельствует о вероятности хрупкого разрушения. Из-за накопления эксплуатационных повреждений эта вероятность

199

струкций. Для решения конкретных задач надо накопить ин­ формацию о количественных значениях как параметра напряжен­ ности рассматриваемых конструкций, так и реологической харак­ теристики применяемого материала.

§ 49

Предложения по расчету прочности переменно-напряженных деталей

Конструкции различного назначения обычно эксплуатируются продолжительное время, испытывая большей частью неограниченно многократное действие повторно-переменного напря­ жения. Во многих случаях эксплуатационная нагрузка вызывает устойчивый переменный режим крайних напряжений цикла сттах и стт1п. При расчете таких конструкций принято считать изменение напряжения синусоидальным при стационарных параметрах цикла. Эксплуатационные нагрузки, используемые в расчете, принимаются заданными. Влияние на прочность недогрузок и перегрузок, а также случайных выбросов напряжений в указанном расчете не учиты­ вается.

В качестве характеристики циклической прочности материала переменно-напряженной детали специалисты иногда находят удоб­ ным брать предельное напряжение (предел выносливости), пред­ ставленное номинально по формулам сопротивления материалов. Например, данные о циклической прочности сварных конструкций получаются в основном из испытаний натурных или полунатурных узлов этих конструкций. Такие испытания позволяют охватить ис­ следованием влияние масштабного эффекта, конструктивной кон­ центрации напряжений и технологических факторов. Количествен­ ные данные о предельных напряжениях накапливаются также в ре­ зультате длительной эксплуатации и анализа причин случайных аварийных ситуаций.

Согласно публикациям [12], [50], [67] для сварных балок с не­ обработанными швами из углеродистых и низколегированных ста­ лей, испытанных на усталость от изгиба по симметричному циклу, предел выносливости а_ г = 7 -ь- 8 кгс/мм2, т. е. один и тот же, несмотря на то, что низколегированная сталь обладает более вы­ сокой прочностью при пластическом деформировании, из-за большей чувствительности ее к концентрации напряжений, неизбежной в сварных балках. По практическим данным, угроза разрушения от усталости эксплуатируемых валов, например, появляется при напряжениях 10—16 кгс/мм2 — для углеродистых сталей и при 14—18 кгс/мм2— для легированных сталей. Более высокая цикли­ ческая прочность материалов получается у валов меньших диаметров.

Представленные пределы выносливости сталей, работающих в со­ ставе сварных балок или валов, можно использовать в качестве

В таком случае рассматриваются номинально расчетное напряжение,

2Q0