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

неустойчивости связей материальных частиц. Это предположение поддерживает сложившееся в последние годы у специалистов мне­ ние о том, что в условиях объемного растяжения материалы хуже работают на отрыв, чем при линейном (осевом) растяжении [43], [52].

§8

Предельные состояния, связанные

собъемностью напряжений

ис реологической характеристикой

Экспериментальные значения предельных на­ пряжений материалов устанавливаются в простейшем случае осевого растяжения как сопротивление отрыву или предел текучести. Со­ противление отрыву 0отр представляет собой разрушающее напря­ жение в случае излома по поперечному сечению. Для такого излома характерна кристаллическая поверхность блестящего вида. Разру­ шению с отрывом предшествует некоторая пластическая деформация, иногда настолько малая, что не обнаруживается измерительным инструментом. По высказываниям Н. Н. Давиденкова, сопротивле­ ние отрыву при полном отсутствии пластической деформации можно назвать хрупкой прочностью.

Определение предела текучести общеизвестно и не требует разъяснения.

Вслучае объемного растяжения, по условию пластичности OiV =

=от. Интересно знать, при каких значениях главных напряжений, прежде всего при каком 0!, наступает текучесть материала. Из фор­ мулы (12) можно записать:

0[ = Y_i_Giv-

4

Подставляя вместо aIV его значение, равное аг (по условию пластичности), находим наибольшее главное напряжение, соответ­ ствующее первичной пластической деформации:

превышает предел текучести осевого растяжения. Сближение значе­ ний 01т и 0отр отрицательно сказывается на способности материалов деформироваться пластически, что практически возможно. Поэтому испытание гладких образцов на осевое растяжение нельзя считать средством исчерпывающего исследования пластичности и прочности. Целесообразно испытывать образцы, возбуждая напряженные со­

стояния, для которых параметры у i и у 8 были бы больше еди-

т т

ницы.

Использование в расчете безразмерного параметра напряженного

состояния у 1 возможно лишь при наличии соответствующей экспе-

т

риментальной характеристики. Поэтому для составления условий

28

течения или отрыва материала вводим безразмерную реологическую характеристику

Если принять по условию пластичности (TIV = aT и сократить на этом основании знаменатели в формуле (16), то получим условие

§9

Предельные напряжения при пластической деформации и хрупком разрушении

Для определения сопротивления пластическому деформированию и хрупкому разрушению наиболее распростра­ ненным экспериментом служит испытание на осевое растяжение гладкого образца. Пластическая деформация образца до образования шейки по внешним признакам кажется равномерной по объему, с участием в процессе деформирования всех кристаллических зерен, составляющих материал образца. На основании этого сопротивление

29

материала деформированию можно выразить через нормальное

напряжение а = -у- в поперечном сечении. С развитием пластиче­

ской деформации целесообразно рассматривать истинное напря­ жение, отнесенное к фактической площади суженной части попереч­ ного сечения образца:

Для решения вопросов конструктивной прочности сложилась традиция связывать предельные состояния с первичной пластической деформацией (текучестью) или с завершением процесса равномерного пластического удлинения к моменту зарождения шейки. При реше­ нии технологических задач оказывается целесообразным руковод­ ствоваться всей диаграммой истинных напряжений вплоть до раз­ рушающего напряжения.

При испытании на растяжение образец из пластичного материала может разрушиться хрупко, если прибегнуть к охлаждению его до температур глубокого холода. По внешним признакам хрупкий излом берет начало от случайно встретившейся слабины материала в связи с его неоднородностью и неизбежными дефектами различного происхождения. При таком положении оценка сопротивления хруп­ кому разрушению через напряжение, вычисленное в предположении равномерности процесса деформирования и повреждения, оказы­ вается вынужденной мерой. Сопротивление отрыву, выраженное через нормальное растягивающее напряжение, зависит от масштаб­ ного эффекта и от градиента напряжений. Из пластичных металличе­ ских материалов хрупкость могут обнаруживать конструкционные стали. Для этих сталей показатели предельных состояний — предел текучести и временное сопротивление — нормируются. Большей частью значения указанных напряжений приводятся для комнатной температуры. Сопротивление отрыву стали, представленное соответ­ ствующим нормальным растягивающим напряжением, не поддается нормированию. Установленные экспериментально при хрупком раз­ рушении нормальные напряжения стали имеют определенное коли­ чественное значение лишь для частных значений масштаба, гра­ диента напряжений и некоторых других факторов.

Предельные напряжения можно установить экспериментально не только при осевом растяжении, но и при других видах деформи­ рования образцов, при которых возбуждаются иные напряженные состояния. Например, при кручении круглого образца возбуждается чистый сдвиг. При соблюдении прочих равных условий определяются предельные напряжения для характерных стадий пластической де­ формации или напряжения, вызывающие хрупкое разрушение. Эти предельные напряжения могут сравниваться с аналогичными напря­ жениями при осевом растяжении при условии обобщения их по тео­ риям прочности (предельных состояний). Например, если отдавать предпочтение первой и четвертой теориям, как наиболее достовер­ ным, то нужно руководствоваться формулами (7) и (10).

30

Г Л А В А i l l • СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ В УСЛОВИЯХ, СПОСОБСТВУЮЩИХ РАЗВИТИЮ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

§ ю

Работа материала в растянутых элементах конструкций и выбор моделирующего эксперимента

Многие ответственные элементы конструкций испытывают растяжение. Под действием растягивающих сил работают болты, длинные подвески, связи, некоторые стержни ферм, носовой задержник, удерживающий корабль на дорожках стапеля перед спуском на воду. Эти силы вызывают равномерное растяжение стержней. Практически растягивающие силы могут действовать со смещением от геометрической оси стержня, т. е. с эксцентриситетом. Но с возбуждением пластической деформации усилие самоцентрируется, и растяжение стержня становится равномерным. Почти равномерное растяжение испытывают тонкостенные облицовки, бан­ дажи или кольца, насаженные с натягом на круглые детали, а также полка на выпуклой стороне изогнутой тонкостенной балки.

Для растяжения стержней характерна устойчивость прямоли­ нейного вида геометрической оси и устойчивость равновесия между возрастающей внешней нагрузкой и внутренней силой сопротивления растяжению, по крайней мере до образования шейки. Возбуждае­ мое напряженное состояние оказывается линейным с главными на­

тт

идеформируемости при осевом растяжении представляется практи­

чески важным и интересным, поскольку материалы в составе кон­ струкций часто работают при параметрах напряженности, близких к параметрам осевого растяжения.

На растяжение испытываются гладкие круглые и плоские образцы. Из прутковых или массивных заготовок вытачиваются круглые образцы. Из тонкостенного проката и листов вырезаются плоские образцы с сохранением необработанной поверхности проката. Для соблюдения геометрического подобия принимается определенное отношение длины исследуемой части круглого образца к его диаметру. Большей частью испытывают пяти- и десятикратные образцы, т. е. такие, у которых отношение длины к диаметру составляет 5 или 10. Стремясь к геометрическому подобию плоских образцов, длину их исследуемой части берут равной пяти или десяти диаметрам круга, площадь которого равновелика площади поперечного сечения об­ разца. Если толщина плоского образца t, ширина Ь, то площадь

31