ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Влииние внешней среды на рост трещин из "Механика хрупкого разрушения " Фрактографические исследования показывают, что неоднородность конструкционных материалов, являющаяся практически неизбежной, в процессе металлургической и технологической обработки приводит к образованию трещин и дефектов, с которыми в дальнейшем конструкция вступает в эксплуатацию. Очагом разрушения служат именно трещины и дефекты, медленно растущие в процессе эксплуатации. [c.352] При достаточно больших размерах начальной трещины разрушение может произойти в течение нескольких циклов нагружения или даже при первом же нагружении. Если же размеры начальной трещины достаточно малы, то конструкция выдерживает много циклов нагружения при значительных напряжениях, прежде чем трещина вырастет до критических размеров и произойдет окончательное разрушение. Поэтому задача определения допустимых размеров исходных трещин и допустимого уровня рабочих нагрузок при заданных условиях работы конструкции (определейие ресурса прочности) является очень важной при проектировании конструкции. [c.352] Долговечность конструкции определяется размером началь- ной трещины, скоростью докритического роста трещины, характером и величиной приложенных нагрузок, геометрией тела, свойствами материала и внешней среды. Пользуясь изложенными выше результатами, проведем иллюстративный расчет на ресурс длительной прочности и долговечности типичного элемента конструкции, работающего в условиях растяжения. Временными эффектами пренебрегаем. [c.352] ИГ нагрузок. Величина растягивающего напряжения р опреде-Яяегся из обычного бездефектного расчета конструкции в целом. [c.353] Пусть конструкция в эксплуатационном режиме находится Йод действием циклических и малых случайных нагрузок. Тогда Напряжение р М ожно представить в виде с уммы периодической ро времени функции и малых случайных пульсаций нагрузки (рис. 141). В зависимости от конкретных условий работы определяющей может оказаться как первая, так и вторая составляющая нагрузки,. поэтому целесообразно вначале рассмотреть их отдельно. [c.353] Изучение конструкций, разрушившихся в процессе эксплуатации, показывает, что если разрушение происходит до образования устойчивых сквозных трещин, то трещина в момент потери устойчивости обычно имеет форму полуэллипса с осью, расположенной на границе тела. Отношение полуосей Ь/а критической трещины часто бывает близко к 2/3. [c.354] Эти факты объясняются особенностями докритического роста пространственных трещин. Скорость распространения фронта трещины весьма быстро возрастает с увеличением локального коэффициента интенсивности напряжений (см., например, формулу (6.52)). Поэтому, если коэффициент интенсивности напряжений распределен неравномерно вдоль контура начальной трещины, то в процессе докритического развития вначале будут изменяться лишь те участки контура, на которых коэффициент интенсивности максимален. Изменение формы трещины вызовет перераспределение коэффициента интенсивности напряжений вдоль контура. Если процесс развития фронта трещины локально устойчив в каждой точке фронта, то коэффициент ийтенсив-иости будет выравниваться, пока не станет одним и тем же для всех точек фронта трещины. При дальнейшем устойчивом развитии трещины форма ее все время будет такой, чтобы вдоль всего контура выполнялось условие Ki = onst. [c.354] Это выражение представляет собой зависимость, связывающую безразмерную долговечность, безразмерный начальный и критический размеры трещины. [c.355] например, толщина полосы Л = 20 мм, постоянная материала конструкции р — 0,02 мм. Предположим, что конструкция должна выдержать Я/ = 500 циклов нагружения, после чего трещина вырастает до критического размера 6 = 4 жж и происходит разрушение. Пользуясь диаграммой рис. 143, определяем допустимый размер начальной трещины Ьо = 1,4 мм. [c.356] Т — общее время докритического развития трещины (срок службы конструкции). [c.358] Тогда на основании рис. 146 величина /щах будет равна 1,3-10 (т) (напомним, что прн циклическом нагружении с ам плитудой ро для такого же подрастания трещины требуется 500 циклов). [c.360] Отметим, что учет малой случайной составляющей нагрузки приводит к зависимости скорости роста трещины от формы основного цикла в отличие от чисто детерминированного циклического нагружения. [c.361] Выражение (6.88) дает связь ро и если в нем рш х заме-яи,ть на Ро. [c.361] Это выражение для скорости роста усталостной трещины справедливо в общем случае произвольной малой циклической нагрузки, накладываемой на стационарную. [c.362] Напомним, что в аналогичном случае чисто циклического нагружения цри Ртах — Ро Pmin = о (см. выше п. 3) щ равнялось 500. [c.363] Этот пример дает одно из возможных объяснений наблюдаемому иногда на практике парадоксально резкому уменьшению времени до разрушения некоторых полимеров и металлов под действием вибраций. [c.363] В заключение отметим, что наиболее сложна и не изучена область низких напряжений, в которой влияние внешней среды может привести к значительному ускорению роста усталостных трещин по сравнению с теорией. Так, для некоторых высокопрочных сталей показатель п в соотношении d//di / max оказался в этой области существенно меньше полученного выше теоретического значения, равного 4 (наблюдались значения п до 1,4). Однако анализ этих опытов показывает, что влияние внешней среды в них не учитывалось, хотя высокопрочные стали обычно весьма чувствительны к атмосферной влаге. Поэтому исследование роста усталостных трещин обязательно должно сопровождаться определением частотных характеристик и регистрацией параметров среды, в частности, влажности. Кроме того, в условиях испытаний с малыми напряжениями возрастает роль неучитываемых внешних вибраций ( внешний фон ). [c.363] Вернуться к основной статье