Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

чение распространяется от захватов к середине образца. Свар­ ной шов не влияет на картину муаровых полос. Фотография муа­

шву продольный шов, будучи выпол­ нен из более прочного металла, может оказаться перегружен­ ным, что, по-видимому, вызовет общее уменьшение пластичности.

Н Е Р А В Н О М Е Р Н А Я Д Е Ф О Р М А Ц И Я

О концентрации напряжений и деформаций

Выше предполагалось, что распределение напряжений и де­ формаций в образце (или его зонах) достаточно равномерное, од-

‘нако на практике такие условия не имеют места. Во всех конст­ рукциях имеются участки, где напряжения или деформации ока­ зываются выше средних значений. Эти так называемые «концен­ трации напряжений» обусловлены либо способом нагружения (например, изгибом, кручением или растяжением), либо формой образца, либо наличием дефектов или несплошностей. Концен­ трация напряжений или деформаций может играть важную роль

вповедении конструкции, и весьма часто разрушения (трещины) начинаются от этих участков. Поэтому правильный расчет, пра­ вильная технология и эффективный контроль материалов все еще являются существенными факторами, обеспечивающими нормальную работу конструкции.

Ксожалению, зоны концентрации напряжений и деформаций -в данной конструкции, как правило, неизвестны. В большинстве

■ 126

случаев конструкторы имеют довольно хорошее представление о распределении напряжений и деформаций в тех частях конст­ рукции, которые нагружены равномерно и где нет «скрытой» опасности концентрации напряжений; однако в участках, где' форма изделия или детали меняется и имеется значительная кон­ центрация напряжений, положение намного сложнее и с трудом может быть учтено; это, в частности, относится к зонам, где име­ ются сварочные дефекты. Опасность крупных дефектов сварки,

тщательном контроле нельзя гарантировать выявление всех сва­ рочных дефектов; поэтому даже после неразрушающего контро­ ля следует учитывать возможность наличия сварочных дефектов. К сожалению, нужно признать, что даже после многолетних ис­ следований мы довольно мало знаем о поведении элементов, в которых имеется концентрация напряжений и деформаций.

До тех пор, пока инженер при конструировании основывается на теории упругости, недостаточность сведений о поведении ма­ териала он компенсирует назначением значительных коэффици­ ентов запаса. Немногочисленные эксперименты, которые он про­ водит, выполняются на образцах, тщательно проверенных с точ­ ки зрения отсутствия дефектов. Конечно, такой образец не мо­ жет характеризовать огромную конструкцию, и результаты та­ ких экспериментов, ценные во многих отношениях, служат для определения некоторых физических констант почти «идеального» материала.

Если концентрация напряжений или деформаций вызвана ло­ кальной несплошностью образца, то при этом не только повы­ шается локальное значение напряжения или деформации, но из­ меняется и характер напряженного состояния (его жесткость) возле зоны концентрации. Это согласно критерию Мизеса-Генки ведет к увеличению напряжения, необходимого для возникнове­ ния локального течения материала; повышенная (вследствие из­ менения напряженного состояния) величина предела текучести может быть названа пределом стесненной текучести. Его вели­ чина в значительной степени зависит от формы локальной не­ сплошности и, в свою очередь, свидетельствует о сложности оцен­ ки прочности материала, возникающей при наличии концентра­ ции напряжений (деформаций).

В большинстве случаев концентрация напряжений (деформа­ ций) возникает около какой-нибудь физической несплошности: выреза, отверстия, надреза, полости или трещины. Хотя условия локального течения усложняются наличием вблизи несплошно­ сти трехосного напряженного состояния (или условий стеснен­ ной деформации), концентрация напряжений (деформаций) вы­ зывает локальное или начальное течение гораздо раньше, чем напряжения в той части конструкции, где нет концентраторов, достигнут предела текучести. По этой причине логичнее говорить

127*

о величине деформации, а не о концентрации напряжений; сле­ довательно, с точки зрения будущего для изучения явлений раз­ рушения основное значение имеет углубление знаний о распреде­ лении деформации в зонах концентрации или несплошностей. К сожалению, в технической литературе можно почерпнуть до­ вольно мало сведений о распределении пластической деформации

метод замораживания фотоупругих трехмерных моделей. Карти­

ется, получить такие картины для различных концентраторов и условий нагружения — неимоверно сложная работа. Поэтому с инженерной точки зрения в первую очередь целесообразно ис­ следовать концентрацию деформаций около несплошностей ти­ пичной формы, которые дают ясную картину возможных источ­ ников опасности разрушения.

Одним из таких случаев является трещина; более того, тре­ щины часто встречаются в конструкциях, возникая при их изго-

128

товлении или в результате явлений усталости при эксплуатации, и при развитии «автоматически» ориентируются перпендикуляр­ но главному растягивающему напряжению. С другой стороны, ис­ следования трещин весьма сложны. Для получения усталостной трещины, например, требуется сначала циклически нагрузить об­ разец на усталостной машине, а затем испытывать на разрывной (или другой) машине статического действия. Такая операция трудоемка, дорога и занимает много времени.

Получение усталостных трещин в крупных пластинах стало возможным лишь недавно с созданием мощных машин для ис­ пытания на усталость. Поэтому в большинстве исследований' крупных пластин усталостные трещины, технологические не­ сплошности или самопроизвольно возникшие трещины моделиру­ ются острым надрезом, сделанным ювелирной пилкой. Однако следует иметь в виду, что распределение деформаций около лю­ бого такого надреза неидентично распределению их вокруг тре­ щины, и поэтому выводы, сделанные для надреза ювелирной пил­ кой, могут дать слишком оптимистическую картину поведения образцов с реальными трещинами. Последние данные показыва-, ют, что возможно существенное различие в поведении образцов с усталостными трещинами и трещинами, возникшими под дей­ ствием высоких или низких статических напряжений.

Другие факторы, такие как температура в момент образова­ ния трещины и форма трещины, как известно, также влияют на результаты. Коррозия также является важным фактором. К со­ жалению, в настоящее время мало известно о распределении ло­ кальных деформаций в пластине с трещинами. Следует отметить,„ что в последних исследованиях главное внимание было сосредо­ точено на роли ширины пластины с трещиной.

Многие лаборатории в настоящее время оснащены оборудо-' ванием для испытания крупных пластин, однако в большинстве лабораторий можно испытывать пластины шириной не более 2 м. Но даже такие машины не позволяют получить исчерпывающий ответ на вопрос о поведении пластин с трещинами, так как на них нельзя изучать длинные трещины. Априори кажется мало­ правдоподобным, что длинные трещины в конструкции могут быть не обнаружены, но в действительности, это довольно часто имеет место. В крупных конструкциях часто имеются отверстия,, вырезы, проемы, например, люки на кораблях или в герметич­ ных оболочках; если в контуре такого проема есть трещина, ее эффективная длина не ограничивается глубиной трещин в мате­ риале и может быть соизмерима с шириной проема в направле­ нии трещины. В таких случаях при исследованиях влияния тре­ щин следует рассматривать весьма длинные трещины.

В настоящее время практически единственная возможность изучения влияния таких длинных трещин состоит в испытании на разрушение цилиндрических сосудов или труб с осевыми надреза­ ми или дефектами. Следует, однако, заметить, что между испы-

танпямп на растяжение крупных пластин с трещинами и испы­ таниями на разрушение цилиндрических сосудов с продольным надрезом имеется существенное различие, даже если продольное (осевое) напряжение от внутреннего давления отсутствует ввиду жесткого ограничения осевой деформации. В новом приближении можно с достаточной точностью предположить, что перемещения концевых сечений пластины у захватов машины постоянны, так что общая схема нагружения плоского образца (пластины), ве­ роятно, удовлетворяет условию постоянства деформации при раз­ грузке; напротив, в цилиндрическом сосуде давление во всех точ­ ках оболочки одинаково и общее нагружение образца более точ­ но удовлетворяет условию постоянства напряжения. Кроме того, в первом случае жесткость системы машина — образец может существенно влиять на характеристики развития разгружения, после того как возникнет трещина; во втором случае такое же влияние может иметь характер среды, создающей давление, од­ нако степень влияния рабочей среды в сильной степени зависит от ее сжимаемости.

К о н ц е н т р а ц и я д е ф о р м а ц и й в о д н о р о д н ы х п л а с т и н а х при от су тств ии о ст а т о ч н ы х н а п р я ж е н и й

Известно, что при нагружении образца, деформирующегося равномерно, переход от упругого состояния к пластическому и от пластического к разрушению, как правило, довольно резкий. Од- 'нако, если деформация неравномерна, процессы текучести и раз­ рушения концентрируются в небольшом участке и возникают пе­ реходные состояния, постепенно сменяющие одно другое. В рас­ сматриваемом случае эти состояния обычно наблюдаются в сле­ дующем порядке: упругое состояние; упруго-пластическое состо­ яние, начинающееся с первых признаков пластического течения в локальных зонах и заканчивающееся общим пластическим те­ чением; пластическое состояние, сопровождающееся деформаци­ онным упрочнением; состояние или процесс разрушения, характе­ ризующиеся возникновением разрушения, его развитием и окон­ чательным разрушением.

Переходное состояние возникает вначале в одной точке (ло­ кальной области) конструкции и развивается по всему объему по

.мере ее нагружения. Начальное проявление такого состояния оп­ ределяется в значительной степени локальными условиями; уп­ руго-пластическое состояние начинается в небольшом участке, где локальные условия нагружения могут вызвать первый акт пластического течения; то же самое справедливо для возникно­ вения трещин и разрушения. Развитие же явления (пластической деформации или разрушения), наоборот, зависит в основном от таких факторов, как размеры образца, запасенная упругая энер­ гия и т. д.

-130