Том 1. Прочность (1041446), страница 54
Текст из файла (страница 54)
П ие ечисленных, так называемых внешн ф р ие, них факто ов, омимо иер жаю их еакцию матесу т ществует большое число факторов, отражающи р иала на возникшие состояния и протекающ р ие п оцессы, т. е. то, риа что принято называть свойствами матери иалов в широком смысле этого понятия. в " я.
Свойства материалов и элементов конструкции, и физически воплощены, крайне многообразны: а) упру- в которых они физич и Е и пластическая гость характеризуемая модулем упругости деформируемость, описываемая диаграммо" — г ( ); ) р Ф й о = ~ (е); б) прочность, выражаемая при однократном нагружении пр д у * е елом текучести, временным сопротивлением, истинным разруша щ ю им напряжением; ния и попе ечного в) пластичность в виде относительного удлине р г) прочняемость материала и пластическая неустойчисужения; г) у р вость ири растяжении; д) упругая неустоичив т р е) сопротивляемость накоплению усталостных повреждений, в том числе у острия трещины; ж) прочность при р и повто ных пластических нагружениях; з) сопротивление ползучести; и) длительная прочность и пластичность при высоких температурах; к) старение металла.
под воздействием деформации, температуры, времени; л) сопротивление началу разрушения в присут р ис тствии концентраторов — надрезов, трещин; м) сопротивление быстрому динамическому распространению трещин; н) стойкость прот щ " ротив общей межкристаллитной коррозии, а также против коррозионного растрескиваиям п) хладостойния; о) сопротивление замедленным разрушениям; ) д кость и д . В конкретных условиях эксплуатации указанные факторы выступают в сложном взаимодействии и определяют к о н с т р у к ц ни о ч н о, с т ь изделия, под которой обычно понимают онную прочн спытания п и конкустановленную в результате зксплуатаиии или испытания р ретных свойствах материала, значении и характере действия нагрузок, температуре, среде, а также технологии изготовления способность конструки,ии сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства.
Разумеется, не все факторы в одинаковой мере проявляют себя каждый раз. В простейших случаях работоспособность конструкции зависит лишь от немногих из них. Это позволяет при расчете тех или иных конструкций ограничиваться только главными факторами. Ограничение числа учитываемых в расчете факторов вызывается рядом причин: 1. Недостаточностью современных знаний, необходимых для построения универсального расчетного аппарата. 2. Неразработанностью и сложностью теории, которая бы могла одновременно учесть влияние большинства факторов. 3.
Высокой стоимостью и большой продолжительностью испытаний, которые необходимо было бы провести для создания и применения такой теории. 4, Стремлением обеспечить доступность расчетов для лиц, не име- ющих глубокой научной подготовки в специфических вопросах прочности. Это приводит к тому, что расчетная прочность обычно не совпадает с конструкционной. Расчетная прочность — это установленная в результате расчета путем использования экспериментальных характеристик материала и аппарата теории способность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства.
Исторически сложилось так, что первоначально разрабатывались методы расчета, которые принимали во внимание какой-либо один, главный фактор. Большинство современных методов расчета построены именно по такому принципу. Например, расчет на статическую прочность по предельному состоянию наступления текучести предусматривает сравнение среднего напряжения с пределом текучести металла без учета концентрации напряжения; расчет на устойчивость рассматривает только потерю устойчивости и т. д.
Соединение в одном методе расчета двух или нескольких факторов во взаимодействии между собой — явление довольно редкое даже при современном уровне развития науки о прочности. На примере расчетов на выносливость 1441 можно видеть, что при учете такого фактора, как нестационарность характера нагружения, потребовалась разработка сложных проблем суммирования повреждаемости, над которыми ученые интенсивно трудятся уже многие годы. Таким образом, одна из основных причин несовпадения расчетной и конструкционной прочности заключается в отсутствии комплексного учета многочисленных, совместно влияющих факторов вследствие сложности построения теории. Опыт создания и эксплуатации новых конструкций показывает, что второй причиной несовпадения является временное исключение из рассмотрения слабо изученных факторов, которые впоследствии оказываются в ранге основных, Покажем это на примерах.
Проблема влияния дефектов на прочность существовала всегда, но она не имела той остроты, которая возникла в связи с разработкой новых высокопрочных конструкционных материалов, которые, с одной стороны, могут воспринимать весьма высокие напряжения, а с другой — крайне чувствительны к концентрации напряжений. На рис. 11.1, а схематично показана зависимость отношения конструкционной прочности б„к временному сопротивлению а, материала от коэффициента концентрации напряжений сс или длины эквивалентной трещины 1,„, (при р = 0) для невысокопрочного (1) и высокопрочного (2) материалов.
Отношение эксплуатационного напряжения о, к а, показано в виде пунктирной линии. Невысокопрочные материалы мало чувствительны к концентраторам. Это предопределяет постоянство о„/о, при достаточно больших значениях а и 1„„что фактически означает допустимость довольно крупных дефектов в виде непроваров, трещин и т. п.
Сварные конструкции из невысокопрочных материалов удовлетворительно работают, не обнаруживая отрицательного влияния имеющихся дефектов. Опасные по размерам дефекты могли обнаруживаться 257 О ф самыми простыми приемами контроля, да н вероятность появления крупных дефектов к тому же мала, Высокопрочные материалы разрабатываются с целью эксплуатации их при высоком уровне напряжений гт,.
Вследствие высоких напряжений о, и крайней чувствительности этих материалов к концентраторам размеры допустимых концентраторов близки к разрешающей способности физических методов контроля. Частота появления дефектов, хотя и сократилась вследствие улучшения технологии, все же осталась на уровне, крайне осложняющем надежную безаварийную эксплуаа) тацию конструкции. Недооценка опасности концентраторов, а в ех некоторых случаях и пренебре- 10 жение .их влиянием на первых порах применения высокопрочо~ ных материалов приводили к аз неожиданным разрушениям. Аналогичная ситуация сло- р~якВ жилась с усталостной прочностью конструкций (рис. 11.-1, 6).
Высокую долговечность (число циклов нагружений У до разрушения) элементов конструкций 2 из высокопрочных материалов удается обеспечить только при у~ весьма малых а и 1а„„. На практике же приходится снижать доРис. 11.1. Влияние длины трещины пускаемые напряжения до уров- 1,„, и коэффициента концентрации напряжений а на конструкционную ИЯ прочности низкопРочных мапрочность (а) и долговечность (б) ТЕрИВЛОВ ВВИду Налнчия КОН- центрации напряжений. В противном случае происходит неожиданная быстрая поломка конструкций, работающих при повышенных переменных нагрузках.
Широкое освоение районов Севера, Сибири и Дальнего Востока сопровождалось массовым применением техники, которая до этого аарекомендовала себя как вполне надежная в районах е умеренно низкими температурами. Большинство машин, как известно, изготовляется из дешевых конструкционных сталей, которые весьма хорошо работают при температурах, обеспечивающих их вязкое состояние, но имеют порог хладноломкости, ниже которого они крайне чувствительны к концентрации напряжений и способны хрупко разрушаться.
Зто обстоятельство не было учтено не только эксплуатационниками, но на первых порах и конструкторами, которые допускали использование в машинах северного 'исполнения слабохладостойких сталей, что привело ко многим случаям разрушений. Третьей существенной причиной, порождающей несовпадение расчетной и конструкционной прочности, является неправильный выбор предельных состояний и критериев для оценки прочности конструкций. Это не только снижает ценность и достоверность расчетных методов, но и отрицательно сказывается на квалифициро- ванном подходе к оценке конструкционной прочности при испытании изделий и принятии решения об их массовом изготовлении; Широко распространенным примером неправильного выбора предельного состояния является расчет сварной конструкции по предельному состоянию наступления текучести, в то время как она должна быть рассчитана на выносливость по предельному состоянию разрушения от усталости или на сопротивляемость разрушению при низких температурах из-за концентрации напряжений.
Много совершается ошибок по причине неправильного выбора критериев. Например, иногда в качестве критерия работоспособности используют ударную вязкость металла. Однако несоответствие коэффициента концентрации напряжений в лабораторном образце размером !О х 10 '. 55 мм с тем, что есть в конструкции, не позволяет переносить эти результаты на оценку изделия. Иногда ошибки в оценке несущей способности совершаются из-за использования только с и- \ ловых критериев вместо ~ Вгрр~ грР Е комбинации их с деформационными. Заметим, что все имеющееся многообразие критериев имеет в качестве первичной (экспериментальной) информации либо силу, либо перемещение — остальные величины определяют расчетом как Рис.
11.2. Схематичная зависимость производные от них, в том числе среднего разрушающего напря еи работу. Главное отличие д е - ния о,р р и средней разрушающей фо р м а ци он н ы х к р и те- деформации е,рр от коэффициента р и е в от силовых состоит в том концентрацйй напряжений а что деформационные критерии одинаково хорошо чувствительны к изменению коэффициента концентрации напряжений а (рис. 11.2) во всем диапазоне его изменения, в то время как силовые критерии хорошо реагируют на изменение а, пока среднее напряжение остается ниже о,.
В диапазоне относительно небольших а, что как раз характерно для большинства конструкций, силовые критерии менее представительны, в особенности если разница между о, и о, невелика. Например, при испытании сосудов давления из высокопрочных сталей, качество изготовления которых удовлетворяет некоторому минимуму так, что о,р р . -о„уровни разрушающих напряжений отличаются слабо. Заключение о качестве технологии и сварных соединений В отношении концентрации напряжений в них можно дать только по величине средней окружной разрушающей деформации сосуда !52). При определении лишь о,р объективную оценку дать трудно.
Критерий критического раскрытия конца трещины перед разрушением 6, также имеет преимущество перед силовыми критериями, 2о9 если конструктивные элементы разрушаются после протекания пластической деформации. Испытания на малоцикловую усталость, когда число циклов не превышает 104 — 10', чаще проводят, регламентируя деформацию цикла, а не напряжение. Четвертая причина состоит в вероятностяоа природе формирования конструкционной прочности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
