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

нутая на усах за счет отсутствия дефектов, не утрачивается в усло­ виях высоких температур.

Наличие неизбежных дефектов атомно-кристаллической решетки обычных металлов создает предпосылки к необратимым перемеще­ ниям частей зерен друг относительно друга. Эти перемещения про­ исходят путем скольжения по плоскостям кристаллической решетки, в которых атомы расположены наиболее плотно, а сопротивление

сдвигу оказывается наименьшим. В результате необратимых сколь­ жений материал становится пластичным, и под влиянием силового воздействия развивается реологический процесс. При этом возни­ кает как упругая деформация, так и значительные необратимые перемещения больших групп атомов при сохранении внутренних связей (течение материала). Реологический процесс завершается разрушением материала с наступлением утраты его внутренних связей. В условиях реологического процесса остаточные деформации возбуждаются напряжениями, величина которых иногда в тысячи раз меньше напряжений, рассчитанных на основе теоретической прочности. Кристаллическое зерно, или монокристалл, 1 (рис. 5, а) представлено моделью 1 (рис. 5, б) в виде колоды карт, в которой

каждая карта состоит из атомов, расположенных в плоскости наи­ большей плотности. По схемам 2 зерна и модели пластическая де­ формация происходит путем сдвига, при котором размещение атомов в частях зерна, разделенных плоскостью скольжения АВ, не изме­ няется. По схемам 3 деформация происходит путем двойникования, и в одной части зерна размещение атомов изменяется.

Согласно рассмотренным представлениям, сопротивление мате­ риалов деформированию разделяется на два вида (рис. 6):

что соответствует области упругой деформации. С развитием реоло­ гического процесса сопротивление деформированию возрастает со значительно меньшей интенсивностью, чем при упругом состоянии. В зависимости от степени развития реологического процесса в объеме напряженной детали возникает большее или меньшее повреждение материала.

Представления о строении материала предопределяют направле­ ния теоретических исследований сопротивления деформированию и разрушению. Феноменологическая теория, например, предельно упрощает модель материала, считая его сплошным, однородным и изотропным. Принятие упрощенной модели поддерживается тем, что при большом числе произвольно расположенных кристалличе­ ских зерен, обладающих иногда весьма резко выраженной анизо­ тропией, металлический материал обнаруживает осредненные упру­

= 10 040 кгс/мм2. Таким образом, дискретная природа материала феноменологической теорией не учитывается.

20

Атомно-молекулярная теория рассматривает свойства материала в зависимости от атомно-кристаллической решетки и от ее дефектов. По статистической теории пластичности и прочности учитывается микронеоднородность материала, а механические свойства опреде­ ляются согласно понятиям теории вероятностей.

§5

Неразрушающие и разрушающие повреждения: Признаки предельных состояний

Перегрузки конструкций создают угрозу по­ вреждения материала перенапряженных деталей вследствие реоло­ гического процесса.

Повреждения можно разделить на два вида:

1) неразрушающие с сопутствующей потерей первоначальной геометрической формы;

2) разрушающие, для которых характерна потеря сплошности. Неразрушающие повреждения возникают под влиянием кратко­ временной одноразовой или немногократной нагрузки, возбужда­ ющей напряжение, равное пределу текучести материала или превы­ шающее его; к неразрушающему повреждению приводит длительное напряжение, не достигающее предела текучести, но способное вы­ звать временной эффект в виде ползучести или пластического после­ действия. Для неразрушающих повреждений характерно настолько значительное остаточное изменение геометрической формы детали,

что исключается возможность их дальнейшей эксплуатации.

Для разрушающих повреждений характерно трещинообразование, иногда при отсутствии заметной пластической деформации. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что разрушающее повреждение может вызываться меньшей нагрузкой, чем пластиче­ ское повреждение. Другими словами, причина разрушающего по­ вреждения заключается не только в величине нагрузки, но и в дей­ ствии других факторов. Например, в условиях торможения пласти­ ческой деформации возрастание напряжений создает угрозу хрупкого разрушения. Также без заметной пластической деформации возни­ кают трещины усталости под влиянием повторно-переменного напря­ жения; в последнем случае отсутствие заметной остаточной деформа­ ции объясняется избирательным охватом пластической деформацией небольшой части микрообъемов в макроскопическом упругом объеме переменно-напряженной детали. В некоторых случаях трещины образуются исключительно из-за влияния местных условий, напри­ мер из-за возбуждения остаточных напряжений и подкалки стали в зоне термического влияния после сварки или после сосредоточен­ ного нагрева и остывания. При этом трещины бывают малой длины. Нераспространяющиеся трещины образуются как в период по­ стройки конструкции, в связи с технологическими и пробными воз­ действиями, так и при эксплуатации, особенно в начальный период, когда дают себя знать дефекты, не обнаруженные при постройке и сдаче конструкции. В условиях повторно-переменного действия

21

нагрузки, при весьма заостренных концентраторах напряжений, могут возникать нераспространяющиеся трещины усталости неболь­ шой глубины. Но в большинстве случаев концентрация напряжений бывает умеренной и образовавшиеся трещины усталости продолжают распространяться меньшими или большими темпами. При обнару­ жении таких трещин принимаются меры к исправлению поврежде­ ний и к подкреплению конструкции в угрожаемой зоне.

Возникновение трещин следует рассматривать как серьезное предупреждение о возможности аварий и отказа конструкции. Такое заключение можно сделать на том основании, что первичные трещины, не распространяющиеся в одних условиях, могут распро­ страняться мгновенно на большие расстояния в других, менее благо­ приятных условиях.-

Приведенные повреждения характеризуют различные предельные состояния, встречающиеся в практике эксплуатации металлокон­ струкций и машинного оборудования. Предельные состояния бывают разнообразными в зависимости от механических и физико-химиче­ ских факторов эксплуатации и от свойств материала конструкции. Из этого разнообразия можно выделить следующие характерные предельные состояния и их признаки, не исключая промежуточных состояний.

I. Предельные состояния потери формы:

1) фибровая текучесть при неравномерном распределении напря­ жений, например наступление текучести в крайнем волокне изги­ баемой балки из пластичного материала, или текучести материала на поверхности круглого стержня при кручении;

2) охват текучестью макроскопических областей, приводящий к утрате геометрической неизменяемости рассматриваемого элемента и к превращению его в подвижную систему;

3)пластическое последействие, ползучесть.

II. Предельные состояния потери сплошности:

1) образование трещин хрупкого разрушения, которое опережает текучесть;

2) образование трещин усталости.

§ 6

Параметры напряженного состояния, влияющие на реологический процесс

При изучении пластичности и прочности ма­ териалов большое внимание уделяется виду напряженного состоя­ ния и составляющим тензора напряжений. В общем случае напря­ женного состояния рассматривается пространственный тензор напря­ жения. Этот тензор может представляться тремя главными напря­ жениями, образующими неравенство

Поскольку результативность напряжений зависит не только от их значения, но и от соотношения главных напряжений, то целесооб-

22