ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Допустимая длина усталостной трещины из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " Протекающие в материале процессы в случае эксплуатационных разрушений могут протекать не в строгом соответствии с диаграммами или картами Эшби. Это обусловлено существованием критических условий по масштабному уровню протекания процесса эволюции открытых систем в соответствии с принципами синергетики [43-46]. При различном сочетании одновременно действующих нескольких факторов в результате эффекта их суммарного воздействия, взаимного влияния друг на друга может измениться критическая величина используемого (одного) параметра, который применяется для определения границы смены механизма разрушения. Многофакторная оценка поведения материала при различном сочетании параметров внешнего воздействия подразумевает комплексное изучение границ перехода от одних протекаемых процессов разрушения материала к другим с использоваттем интегральных характеристик эволюции поведения материала и рельефа излома в оценке условий его нагружения в эксплуатации. [c.99] Диаграммы Эшби показывают наличие областей, определяемых интервалами изменения тех или иных параметров внешнего воздействия, в которых излом имеет неизменную и однородную структуру, — процесс разрушения материала в этих областях является автомодельным и самоподобным. Один и тот же рельеф излома, как было указано выше, может быть реализован при широкой вариации величин, одновременно воздействующих на материал факторов. Следовательно, анализируя рельеф излома, нельзя по его параметрам дать оценку того или иного фактора воздействия по уровню или величине — разное сочетание параметров воздействия приводит к реализации подобного механизма разрушения. В связи с этим рассматриваемый металл представляется как некоторая открытая система, 1СС5торая в процессе распространения в ней трещины осуществляет непрерывный обмен энергией с окружающей средой, при этом происходит тот или иной механизм разрушения, присущий данному материалу при многопараметрическом внешнем воздействии. [c.99] При синергетическом описании эволюции открытых систем рассматриваются переходы от одних механизмов самоорганизации (способы диссипации энергии при разрушении материала) к другим в критических точках неустойчивости, которые названы точками бифуркации [43-46]. В точках бифуркации система претерпевает принципиальные изменения в способности реагировать на подводимую энергию извне, а следовательно, кинетические уравнения в точках бифуркации должны дискретно сменять любой свой вид, либо дискретно меняются параметры этих уравнений. Чтобы применить к металлу указанный подход описания эволюции открытых систем с целью изучения распространяющихся трещин в элементах конструкций при многопараметрическом воздействии, необходимо показать существование в металле строго упорядоченных процессов (механизмов) разрушения и доказать независимость их реализации от условий или параметров внешнего воздействия. [c.100] Указанный принцип означает, что в процессе эволюции состояния материала последовательно реализуемые механизмы распространения трещины характеризуют его свойство сопротивляться внешней нагрузке. Один и тот же механизм развития трещины может действовать при разной комбинации параметров воздействия и уровне их величин. Условия внешнего нагружения не меняют свойств материала, а позволяют ему реализовать либо всю последовательность возможных механизмов разрушения, присущих данному материалу, или препятствуют этому, что приводит к действию лишь часть из возможных механизмов разрушения. [c.101] Наконец, необходимо подчеркнуть несоответствие или нереализуемость тех свойств материала, которые традиционно используются конструктором при создании ВС. Рассматриваемая ситуация отвечает еще одному принципу неопределенности характеристики свойства материала сопротивляться внешней нагрузке, используемые в расчетах на прочность и долговечность конструкции, никогда не реализуются в эксплуатационных условиях многокомпонентного нагружения. [c.101] Сформулированные принципы неопределенности показывают, что момент разрушения элемента конструкции с трещиной характеризуется достижением в материале определенного уровня энергии, который остается неизменным при сохранении ведущего механизма раскрытия берегов трещины в момент ее страгивания. Однако при этом возникает такая же проблема с оценкой уровня этой энергии, как и при анализе процесса роста трещин. Величина предельного уровня может быть охарактеризована через механические характеристики, которые зависят от условий нагружения элемента конструкции. Однако и в этом случае приходится вводить представление об интегральных характеристиках предельного состояния материала, достигаемого при многопараметрическом внешнем воздействии. [c.101] Определение предельного или критического размера трещины, при достижении которого происходит быстрое развитие разрушения, а, следовательно, дальнейшая эксплуатация детали невозможна, основано на методах механики разрушения [1-4, 47-50]. Переход к быстрому разрушению может быть реализован в разных состояниях материала хрупко, вязко или смешанно вязко-хрупко. Промежуточное состояние материала при вязко-хрупком переходе, когда изменяются условия воздействия на материал, будем относить к вязкому разрушению с меняющейся работой пластической деформации в вершине распространяющейся трещины. [c.102] В случае хрупкого разрушения материала поле напряжений в любой точке фронта трещины и на любой ее длине остается неизменным и соответствует трехосному в срединных слоях и двухосному напряженному состоянию на поверхности образца или детали (см. рис. 2.13). Принято характеризовать три различных ситуации в раскрытии берегов распространяющейся трещины с помощью трех коэффициентов интенсивности напряжения [47] К] (ki) — нормальное раскрытие берегов трещины /Гц ( н) — поперечный сдвиг берегов трещины по отношению к ее фронту /Сщ ( щ) — продольный сдвиг вдоль фронта трещины (рис. 2.14). [c.102] Заглавные обозначения соответствуют представлению о внешнем воздействии на материал (одно-, двухосно путем растяжения или растяжения-скручивания и т. д.). Строчные буквы соответствуют локальным коэффициентам, определяющим напряженное состояние материала перед вершиной несплошности. [c.102] Многочисленные вариации внешних воздействий на элемент конструкции с распространяющейся в нем усталостной трещиной связаны только с тремя видами напряженного состояния материала линейным, двухосным и объемным (трехосное). Наиболее интенсивным является объемное напряженное состояние материала, когда напряжения в локальном объеме действуют по трем координатам, а развитие разрушения происходит при плоской деформации. Это ситуации минимальной затраты энергии на развитие трещины. Менее напряженное состояние материала соответствует условиям плосконапряженного состояния, когда по одной из координат материал может свободно деформироваться при его нагружении по двум другим координатам. Возможен еще случай одноосного напряженного состояния материала, когда только по одной координате действует напряжение, а вдоль двух других координат материал может свободно деформироваться. [c.102] В вершине распространяющейся усталостной трещины имеют место только два вида напряженного состояния материала — объемное(в срединных слоях) и плоское (у поверхности), независимо от внешнего воздействия. Даже при простом одноосном растяжении образца или элемента конструкции оба вида напряженного состояния материала вдоль фронта трещины будут реализованы [51]. [c.102] Обычно уравнение (2.2) используют без членов более высокого порядка 0(г), которыми пренебрегают в описании напряженного состояния у вершины трещины в силу их малости. Однако в случае многоосного нагружения такое упрощение является неправомерным [52]. [c.103] В представленных уравнениях коэффициенты интенсивности напряжения характеризуют поле упругих напряжений, когда при приближении к вершине трещины возникает неопределенность в оценке уровня напряжения, поскольку при приближении к вершине формально уровень напряжения становится больше предела прочности материала. Математически указанная неопределенность устранена, например, Г. П. Черепановым [53]. [c.103] В подавляющем большинстве случаев разрушения элементов авиационных конструкций реализуется нормальное раскрытие берегов трещины. В этом случае предельное состояние материала с трещиной может быть эффективно определено на основе (5г) -модели, в которой момент перехода к нестабильности разрушения определяется достижением критического (Ьг)к раскрытия вершины трещины [48]. [c.103] Существенное влияние на величину (Ьг)к при переходе к быстрому распространению трещины оказывают агрессивная среда и температура. Их влияние на элемент конструкции проявляется наиболее явно в случае большой продолжительности цикла, когда трещина раскрыта и материал находится под напряжением. Наиболее типична указанная ситуация для планера ВС и вращающихся деталей двигателя, которые подвержены циклическому нагружению с высокой асимметрией или длительному растяжению в полете от центробежной нагрузки. Причем для горячей части двигателя характерен нагрев до температуры 750°. [c.103] При многофакторном воздействии могут быть реализованы различные механизмы разрушения, и предельное состояние может быть достигнуто по различным критериям в момент перехода к быстрому разрушению. [c.103] Определяемый размер зоны по соотношению (2.3) отвечает условию плосконапряженного состояния и соответствует точке фронта распространяющейся усталостной трещины на поверхности элемента конструкции. Для срединных слоев детали фронт трещины находится в условиях объемного напряженного состояния, для которого размер зоны может быть определен по соотношению (2.3) с корректировкой предела текучести материа.та путем умножения его на [54]. [c.103] Страгивание трещины длиной реализуется при достижении напряжения в сечении брутто О/ с учетом конечной геометрии образца или элемента конструкции/(а 4 г)- Вид поправочных функций /(а t/, Wt) для разной геометрии образца и формы трещины представлен, например, в [48]. [c.104] При растяжении элемента конструкции вся расходуемая энергия затрачивается на упругое деформирование материала и формирование поверхности разрушения. Момент страгивания отвечает точке бифуркации, когда качественно меняется поведение элемента конструкции — он теряет устойчивость. В области хрупкого разрушения материала с усталостной трещиной уровень энергии, необходимый на страгивание трещины, не зависит от того, каким образом было реализовано внешнее воздействие, если при этом условие нормального раскрытия берегов трещины сохраняется. Такую ситуацию принято называть автомодельным поведением материала. [c.104] Разрушение элементов авиационных конструкций, как правило, сопровождается работой пластической деформации как на этане зарождения. [c.104] Вернуться к основной статье