Файл: Махутов Н.А. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.07.2024
Просмотров: 134
Скачиваний: 0
Н. А. МАХУТОВ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИЙ
ХРУПКОМУ
РАЗРУШЕНИЮ
М о с к в а «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1973
М 36 УДК 621.81.539.4:539.56
•77 *5 -7
Махутов Н. А. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. М., «Маши ностроение», 1973. 200 с.
В книге рассмотрены методы определения ха рактеристик хрупкого разрушения, основанные на анализе напряженного п деформированного со стояния детали в зоне расположения трещин. Ос вещены методы измерении напряжений и дефор маций при испытаниях лабораторных образцов и деталей машин. Изложены методы определения критических температур, разрушающих напряже ний п запасов прочности элементов конструкции.
Книга предназначена для инженеров-конст рукторов и расчетчиков машиностроительных про- ектно-конструкторских и научно-исследователь ских организаций. Ил. 56, список лит. 97 назв. Р е ц е н з е н т канд. техн. наук В. М. Филатов
3133—010 М 038(01)—73 10—73
Издательство «Машиностроение», 1973
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а—нормальные |
напряжения |
в |
кГ/мм2; |
|||
х—касательные |
напряжения |
в |
|
кГ/мм2; |
||
е — осевая деформации; |
|
|
|
|
||
у — сдвиговая |
деформация; |
|
|
|
||
Е — модуль продольной |
упругости |
в кГ/мм2; |
||||
G — модуль сдвига в |
кГ/мм2; |
|
|
|
||
£г — коэффициент Пуассона; |
|
|
|
|||
а т — предел текучести |
в |
кГ/мм2; |
|
кГ/мм2; |
||
о"о,2 —условный |
предел |
текучести |
в |
|||
ав—временное |
сопротивление |
в |
кГ/мм2; |
|||
SK — сопротивление разрыву в |
кГ/мм2; |
ф— относительное сужение площади поперечного сечения в %;
|
|
—относительное сужение |
площади поперечного |
|||||||
|
|
сечения |
при |
статическом |
разрыве |
в |
%; |
|||
AL — осевое удлинение в мм; |
|
|
в мм; |
|||||||
|
б — перемещение в вершине трещины |
|||||||||
|
L |
— длина в мм; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В — ширина в мм; |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Н — толщина в мм; |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Dc |
— диаметр |
цилиндрического образца |
в |
мм; |
|||||
|
dc—диаметр |
образца |
в |
ослабленном |
сечении |
|||||
D=1R |
в -к.!.'; |
|
|
|
|
в мм; |
|
|
||
—средний |
диаметр |
оболочки |
|
|
||||||
|
Ro — радиус стержня в мм; |
|
|
|
|
|
||||
Ra—радиус |
дугообразной трещины |
в мм; |
||||||||
|
I — размер |
трещины |
(см. рис. |
6 и |
22) |
в |
мм; |
|||
а, |
Ъ —полуоси |
эллипса; |
|
|
|
|
|
|
||
Р, |
9 — у г л ы ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рг. Рк> а |
— коэффициенты; |
|
|
|
|
|
|
|||
|
t — температура в °С; |
|
|
|
|
|
||||
|
Т — температура |
в °К; |
|
|
|
|
кГ/мм2; |
|||
Я щ « — максимальное |
местное напряжение |
в |
||||||||
emax — максимальная |
местная |
деформация; |
в мм; |
|||||||
|
р — радиус кривизны |
в вершине надреза |
||||||||
и а |
— теоретический |
коэффициент |
концентрации на |
|||||||
|
|
пряжении; |
|
|
|
|
|
|
|
3
|
|
0*— |
номинальное |
|
напряжения |
по |
нетто-сечённю |
||||||||
|
|
|
|
в кГ/мм"; |
|
|
|
|
|
|
|
|
кГ/мм2; |
||
|
|
09 — кольцевые |
напряжения в |
сосуде |
в |
||||||||||
|
а е „ — разрушающие |
кольцевые |
напряжения |
для |
|||||||||||
Ki, Ки, |
Km |
|
бездефектного |
сосуда |
в |
кГ/мм2; |
|
|
|
||||||
— коэффициенты |
интенсивности |
напряжений в |
|||||||||||||
|
|
|
|
кГ/мм3/2; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кс — критическое |
значение |
коэффициента |
интен |
||||||||||
|
|
ек |
|
сивности напряжений в кГ/иш 3 ' 2 ; |
|
|
|||||||||
|
|
— критическая |
деформация |
при |
разрушении; |
||||||||||
|
|
Ос—энергия продвижения трещины |
в |
кГ-мм/мм2; |
|||||||||||
|
|
У к—удельная |
|
энергия |
на |
единицу |
поверхности |
||||||||
|
|
|
|
разрушения в кГ • мм/мм2; |
|
|
|
|
|||||||
|
|
k — модуль сцепления в |
кГ/мм312; |
|
|
|
|
||||||||
|
0(о) — разрушающее напряжение при отсутствии де |
||||||||||||||
|
|
|
|
фектов |
в |
кГ/мм2; |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Р — осевая |
сила |
в |
кГ; |
|
в кГ; |
|
|
|
|
||||
|
|
Q — перерезывающая сила |
|
|
|
|
|||||||||
|
М и — изгибающий момент в кГ • мм; |
|
|
|
|||||||||||
|
Мк |
— крутящий |
момент в кГ • мм; |
|
|
|
|
||||||||
|
|
F — площадь поперечного |
сечения |
в |
мм2; |
|
|||||||||
|
|
W — осевой момент сопротивления |
в |
мм3; |
|
||||||||||
|
WP |
— полярный |
момент |
сопротивления |
в |
мм3; |
|||||||||
|
|
N — число циклов |
нагружения; |
|
|
|
|
|
|||||||
|
Np |
— разрушающее |
число циклов; |
|
|
|
|
||||||||
|
|
10 — начальная длина трещины |
в мм; |
|
|
|
|||||||||
|
г, |
1К |
— критическая |
длина |
трещины в мм; |
|
|
||||||||
|
6 — полярные |
координаты; |
|
|
|
|
|
|
|||||||
х, |
у, |
z |
— прямоугольные координаты; |
|
|
|
|
||||||||
|
|
гт— |
размер |
пластической зоны в мм; |
|
|
|
||||||||
0*. т к — разрушающие |
напряжения |
в |
кГ/мм2; |
|
|||||||||||
и, |
v, |
w — перемещения |
в вершине трещины в |
мм; |
|||||||||||
1, I I , I I I — в и д ы деформаций |
в вершине |
трещины; |
|||||||||||||
|
/, |
g |
— безразмерные |
функции; |
|
|
|
|
|
||||||
|
к а |
— коэффициент, |
|
учитывающий |
влияние |
вида |
|||||||||
in, |
GT |
|
напряженного |
состояния; |
|
|
|
|
|
||||||
— характеристики упрочнения материала |
в уп |
||||||||||||||
|
|
|
|
руго-пластической |
области; |
|
|
|
|
||||||
|
|
dT—геометрический |
|
параметр зоны упруго-пла |
|||||||||||
|
|
|
|
стических деформаций |
в мм; |
|
|
|
|
||||||
|
|
V — скорость распространения |
трещины |
в |
м/сек; |
с— скорость распространения упругих волн в?
м/сек;
бо — остаточные |
напряжения |
п |
кГ/мм2; |
|
|
||||||
ср0 |
— коэффициент снижения |
разрушающих |
напря |
||||||||
гтк— |
жении; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
критический |
размер |
пластической зоны |
в л ш ; |
||||||||
в в— деформация |
при |
напряжениях, |
равных |
пре |
|||||||
|
|
делу прочности; |
|
|
|
|
|
|
|
||
ек—деформация |
прн |
статическом разрушении; |
|||||||||
гк—размер |
зоны разрушения в мм; |
трещины |
в |
||||||||
а и— напряжения |
инициирования |
||||||||||
ан |
• |
кГ/мм*; |
|
|
|
кГ-м/см2; |
|
|
|
||
— ударная |
вязкость в |
|
|
|
|||||||
tх— |
время в |
сек; |
|
|
|
|
|
|
|
||
г 0—расстояние |
|
до нейтральной |
оси |
при |
изгибе |
в мм;
v„— измеряемое в опытах перемещение краев тре щины в мм;
|
С, |
я — постоянные |
величины; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
1 |
кр—критическая |
|
температура |
в °С; |
|
|
|
|
||||||||
|
|
Рк—критическая |
|
нагрузка в |
кГ; |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
tn |
— температура |
предварительного |
иагружения |
||||||||||||
|
|
|
в |
"С; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кщ—коэффициент |
|
интенсивности |
напряжений |
при |
||||||||||||
|
|
Ьн |
предварительном |
нагруженни в |
кГ/мм3!2; |
||||||||||||
/ н , а „ , |
р н , |
— параметры надреза; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
ДЯ — уменьшение |
|
толщины |
сечения |
в |
вершине |
|||||||||||
|
|
|
трещины |
в мм; |
|
|
|
|
|
|
граду |
||||||
|
|
0« —угол |
поворота |
сечения |
при |
изгибе |
в |
||||||||||
iкр |
' *кр |
сах; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
—первая |
и |
вторая |
критические |
температуры |
|||||||||||||
|
|
"' |
в |
° с |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe |
— доля |
вязкой |
составляющей |
в изломе |
от всей |
||||||||||
|
|
|
поверхности |
излома; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
0 к 1 |
— разрушающие |
напряжения |
при |
температуре |
||||||||||||
|
0"„i—предел |
прочности |
при |
температуре |
tKp |
в |
|||||||||||
|
|
|
кГ/мм2; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
^min |
— минимальная |
температура |
в |
эксплуатации |
||||||||||||
|
|
|
в |
°К; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ffmax — максимальное |
напряжение |
в элементе |
конст |
|||||||||||||
|
|
|
рукции |
при |
эксплуатации |
в |
кГ/мм2; |
|
|
||||||||
|
ДГ — запас |
по |
критическим температурам |
|
в °К; |
||||||||||||
|
" i t р — запас |
|
прочности по разрушающим |
напряже |
|||||||||||||
|
|
|
ниям. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5
ВВЕДЕНИЕ
Расчеты прочности деталей машин и элементов конструкций при однократном (статическом или динамическом) нагружении основаны на номиналь
ных допускаемых |
напряжениях, |
устанавливаемых |
|
по характеристикам |
механических свойств (предел |
||
текучести, предел |
прочности), определяемым при |
||
испытаниях стандартных лабораторных |
образцов. |
||
Используемые в этих расчетах |
запасы |
прочности |
отражают влияние на характеристики разрушения деталей основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, а их величины на значаются с учетом практики эксплуатации.
Такая оценка несущей способности деталей ма шин и элементов конструкций оказывается доста точно обоснованной, если в процессе эксплуатации исключаются условия возникновения хрупких со стояний. В вязких состояниях в деталях сложных конструктивных форм под действием эксплуатаци онных нагрузок в зонах концентрации происходит перераспределение напряжений за счет образую щихся пластических деформаций, и номинальные разрушающие напряжения оказываются на уровне предела текучести или превышают его.
Однако при наличии в деталях машин и элемен-; тах конструкций начальных металлургических и1 технологических дефектов (трещины, поры, включе ния, расслоения, иепровары), а также при образо-
6
вании в них трещин по мере накопления эксплуа тационных повреждений (циклических, коррозион ных, радиационных, от деформационного старе ния), как показывают многочисленные наблюдения и опыты, разрушающие напряжения могут оказать ся существенно (в 1,5—4 раза) ниже предела теку чести. Наиболее низкие уровни номинальных на пряжений получаются при хрупких разрушениях толстостенных сварных конструкций, изготовляемых из низкоуглеродистых и низколегированных хладно ломких сталей (при статическом и импульсном нагружении). При наличии дефектов в хрупких со стояниях понижение разрушающих напряжений, отнесенных к пределу прочности (или к пре делу текучести), указывает на необходимость обос нованного подхода к назначению запасов прочно сти для деталей, изготовляемых из сталей повышен ной и высокой прочности, находящих все большее применение.
Несмотря на ряд фундаментальных |
достижений |
в исследовании прочности деталей в |
хрупких со |
стояниях, сопротивление элементов |
конструкции |
хрупкому разрушению в настоящее время нормиро ванным расчетом не определяют. Это в значитель ной степени связано с отсутствием общепринятых стандартизованных методов испытаний с целью оп ределения соответствующих критериальных харак теристик разрушения и систематических экспери ментальных данных о закономерностях изменения этих характеристик в связи.с конструктивными, тех нологическими и эксплуатационными факторами.
Повышение сопротивления хрупкому разрушению достигается выбором соответствующих конструкци онных материалов и технологии изготовления, при менением многократной термической обработки, по вышением требований дефектоскопического конт-
7
роля, использованием рациональных |
конструктив |
||||
ных форм и т. д. В качестве основной |
контрольной |
||||
характеристики сопротивления хрупкому |
разруше |
||||
нию используют |
ударную вязкость, |
определяемую |
|||
на |
лабораторных |
образцах (из основного |
металла |
||
и |
металла сварных соединений). |
Однако |
ударная |
вязкость не является расчетным параметром при количественной оценке прочности деталей машин и элементов конструкций в связи с условиями кон струирования и эксплуатации. Использование кри тических температур хрупкости, устанавливаемых по данным испытаний стандартных ударных образ цов, для оценки области температур безопасной эк сплуатации оказывается недостаточным при широ ком варьировании уровня дефектности конструкций, их номинальной напряженности, скоростей дефор мирования и толщин стенок.
В связи с изложенным в последние годы для анализа сопротивления элементов конструкций хрупкому разрушению широкое применение нахо дят энергетические, силовые и деформационные критерии, основанные на рассмотрении напряжен ного и деформированного состояния в зонах воз никновения, распространения и остановки трещин. Количественная оценка номинальных разрушаю щих напряжений, не превышающих предела теку
чести, в зависимости от размера дефектов, |
абсолют |
|
ных размеров сечений, вида |
нагружения |
возможна |
с использованием механики |
разрушения. |
|
Линейная механика разрушения, основанная на применении энергетических (плотность поверхност ной энергии y« и энергии продвижения трещины Gfc), силовых (критические значения коэффициен тов интенсивности напряжения Kic, модуля сцепле ния k) и деформационных (раскрытие в вершине трещины 6,() критериев разрушения, позволяет по-
8