Файл: Соломонов, П. А. Надежность планера самолета.pdf

диффузии: диффузия адсорбированных атомов, прямой обмен атомов местами, вакансионный механизм.

Ряд отказов авиационной техники может происходить как из-за поверхностного поглощения (сорбционные процессы), так и из-за объемного поглощения вещества (адсорбция). Сорбция атмосферной влаги, газов и других веществ предшествует физи­ ко-химическим процессам, развивающимся под влиянием этих веществ на поверхности и в объеме материалов деталей и вызы­ вающим ухудшение их свойств. Наряду с адсорбцией на внеш­ ней поверхности из внешней среды возможна, особенно в метал­ лах, также внутренняя адсорбция, при которой примеси, растворенные в твердом теле, адсорбируются на внутренних по­ верхностях, чаще всего на границах зерен или каких-либо де­ фектах структуры. Процесс, обратный процессу адсорбции — отделение от поверхности молекулы ранее поглощаемого ею вещества — называют десорбцией (отрицательной адсорбцией). В результате взаимодействия противоположно направленных процессов адсорбции и десорбции устанавливается адсорбцион­ ное равновесие, которое зависит от большого количества факто­ ров: природы и свойств молекул адсорбируемого вещества, природы и состояния поверхности, температуры, наличия элект­ рического поля и т. д.

До недавнего времени считались общепринятыми классиче­ ские представления о пластической деформации и разрушении материалов как о критических состояниях, наступающих тогда, когда действующие в материале напряжения достигают некото­ рой критической величины. Поэтому при напряжениях, меньших предела упругости, пластическая деформация вообще не может развиваться, а разрушение тела происходит (практически мгно­ венно) только тогда, когда напряжение достигает предела проч­ ности. Однако в процессе эксплуатации технических устройств,

впервую очередь, самолетов имели место разрушения агрегатов

ицелых конструкций, хотя уровень напряжений в них был неве­ лик. В связи с этим в последние годы разрушение материала рассматривается не как критическое состояние, а как постепен­ ный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся

вмеханически напряженном материале с момента приложения

кнему нагрузок [12].

тальных свойств прочности является ее зависимость от времени, деформация и разрушение должны характеризоваться не пре­ дельными напряжениями, скоростью деформации и разрушения, а также долговечностью •— временем, требующимся для разру­ шения. Пределы упругости, текучести, прочности являются с

40

этой точки зрения лишь некоторыми условными характеристика­ ми. Скорость процессов механического разрушения .нагруженно­ го твердого тела и соответственно время до разрушения зависят от структуры и свойств тела, от напряжения, вызываемого на­ грузкой, и температуры. Предложен ряд эмпирических формул, описывающих зависимость времени до разрыва т (или скорости разрушения 1/Е) от этих факторов [12, 13]. Наибольшее призна­ ние получила установленная экспериментально для многих ма­ териалов следующая температурно-временная зависимость проч­ ности — зависимость между напряжением сг, температурой Т и временем т от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца

Однако время разрыва при постоянной нагрузке образцов, изготовленных из одного материала, есть случайная величина (зависящая от случайных размеров и распределения элемен­ тарных дефектов в образцах материала), распределяющаяся по некоторому вероятностному закону. Уменьшению прочности на­ груженной детали способствуют побочные процессы, вызываемые агрессивным действием среды, давлением поверхностно-активных веществ и т. д. При отсутствии поверхностно-активной среды временная зависимость до разрушения определяется выраже­ нием

В настоящее время считается, что разрушение при напряже­ ниях ниже критических не может произойти без теплового дви­ жения атомов и молекул, которое является фактором, принци­ пиально обусловливающим разрыв материала при этих напря­ жениях. Разрушение рассматривается как процесс, в котором в результате тепловых флуктуаций преодолевается кинетический барьер, сниженный вследствие действия напряжений. При этом процесс разрушения представляет собой ряд элементарных ак­ тов, связанных с тепловым движением атомов и молекул.

Локальный характер разрыва твердых тел показывает, что кинетика разрушения (и долговечность материала) определяет­ ся прежде всего развитием трещин разрушения. Механизм про­ цесса разрушения при длительном воздействии нагрузки сво­ дится к постепенному росту микротрещин до критического раз­

41

мера в результате флуктуационного разрыва атомных связей в вершине (устье) трещины. Следовательно, развитие микротре­ щин в напряженном материале детали представляет собой сущ­ ность процесса разрушения.

Целый ряд исследований [12, 13, 2] показывает, что микро­ трещины обычно образуются в местах расположения различного рода дефектов (включений, неоднородностей, царапин и т. д.) после приложения нагрузок и их развитие занимает основную часть времени до разрушения. Различают две стадии роста тре­ щины: стадию медленного роста с увеличивающейся скоростью (стадию ускоренного роста), преобладающую по времени, и ста­ дию быстрого роста с постоянной скоростью, близкой к скорости звука в материале — длительность этой стадии составляет нез­ начительную долю по сравнению с длительностью ускоренной стадии и временем разрыва образца. Исследования показывают, что общей особенностью кинетики разрывной трещины под дей­ ствием постоянной (растягивающей) нагрузки является самоускоренный, лавинообразный характер роста трещин.

На первой стадии, определяющей временные эффекты разру­ шения, существенную роль играют тепловые флуктуации атомов и молекул. Всегда существует вероятность того, что некоторые частицы у вершины трещины получают вследствие тепловых флуктуаций избыток кинетической энергии, достаточной для раз­ рыва связей между ними. Эта вероятность тем больше, чем вы­ ше температура и больше упругие напряжения у вершин тре­ щин. Рост трещин на второй, конечной стадии разрушения не зависит от температуры, т. е. представляет собой безакгивационный атермический процесс разрушения тела локальными напря­ жениями, близкими к пределу молекулярной прочности, и связан со скоростью перераспределения упругой энергии.

Согласно теории Гриффитса [13] трещина будет увеличивать­ ся в размере, если изменение энергии упругих деформаций а>е

ет только конечной предельно быстрой стадии разрушения и что для начала роста трещинок требуется либо высокое напряжение, что следует из этого условия, либо дополнительная причина, которой может явиться, например, флуктуационный разрыв пер­ пендикулярных связей в вершине трещины. В теории дислока­ ции рассматривается несколько механизмов образования и рос­

42

та трещин путем торможения и скопления дислокаций на препятствиях, например у границ зерен, объединения вакансий. Время до разрушения, долговечность под нагрузкой определя­ ются скоростью роста трещин на ускоренной стадии V;

\ t — vHa4exp р/ при а= const, Т = const;

( 1. 8)

v„a4 = v0 expaa, = v0e x p ( y ^ ^ - ) ,

где о; — среднее напряжение в оставшейся неразорванной части

длина трещины; а и vo—постоянные, определяемые свойствами материала; р — коэффициент, характеризующий самоускорение процесса разрыва при данном значении напряжения и температуры.

Экспоненциальная связь между скоростью роста трещин и напряжением определяет лавинообразный характер развития трещин; увеличение длины трещин под действием постоянной нагрузки приводит к постепенному увеличению напряжения ei, что, в свою очередь, резко увеличивает скорость роста трещин и вызывает самоускорение процесса ее развития. Экспоненциаль­ ный характер зависимости скорости распространения трещины от напряжения объясняет, почему имеющиеся в материале дефек­ ты, создавая локальные перенапряжения, становятся центрами разрушения. Скорость роста трещин при наличии перенапряже­ ния намного выше средней скорости развития микротрещин в остальном неперенапряженном объеме образца.

Процессы разрушения материалов сводятся главным образом к постепенному росту деформаций и трещин, к постепенному накоплению локальных дефектов, которое становится возмож­ ным вследствие необратимого характера последовательных еди­ ничных нарушений. Необратимость процесса накопления пов­ реждений подтверждается результатами опытов с прерыванием нагрузки и последующим нагружением. При этом суммарное время пребывания под нагрузкой до разрушения в среднем рав­ но долговечности образцов материалов при непрерывном нагру­ жении.

рых соответствует долговечность т(аг) (причем время действия каждого напряжения равно Л/,), разрыв образца произойдет тогда, когда сумма относительных уменьшений долговечности (располагаемого ресурса) станет равной единице. Для случая дискретной зависимости напряжения от времени t, когда напря­ жение в отдельных интервалах времени остается постоянным,

43

изменяясь только при переходе от одного интервала к другому, условие разрушения образца будет

ствия при незначительном напряжении не оказывает заметного влияния на последующую долговечность образца. Однако это предположение может оказаться недействительным, например,

(1.10) возможна из-за структурной неоднородности материала. На величину ошибки оказывают также влияние скорости измене­ ния напряжения на различных интервалах времени (частота нагружений, рис. 26).

Процессы разрушения при циклическом режиме нагружения, для которого давно установлена временная зависимость прочно­ сти, и при статическом нагружении обычно противопоставляют­ ся друг другу. Предполагается, что закономерности разрушения при циклическом и статическом нагружении различны. Однако кинетическая теория разрушения твердых тел дает основание

44