Краткие сведения о явлениях разрушения конструкционных материалов

из "Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность "

При описании механических свойств материалов принято различать два основных вида деформации упругую и пластическую. Упругая деформация обратима, т. е. она исчезает либо одновременно со снятием напряжения, либо постепенно во время отдыха материала после paзгpyз и (это явление называют также возвратом или обратной ползучестью). Пластическая деформация необратима, т. е. она не исчезает после снятия напряжения. Если упругая или пластическая деформация связана с напряжением вне зависимости от временных характеристик процесса нагружения, то такую деформацию называют мгновенно-упругой или соответственно мгновенно-пластической. Простейшим примером закона мгновенноупругого деформирования является линейный закон Гука. В более сложном случае, когда соотношение, связывающее деформацию с напряжением, включает в качестве дополнительного параметра физическое время, эту деформацию называют вязкоупругой или, соответственно, вязкопластической. Обе мгновенные деформации часто называют склерономными (т. е. независимыми от времени), а обе вязкие деформации — реономными (зависимыми от времени). [c.6]
В зависимости от рода материала и характера деформационного процесса соотношения между четырьмя перечисленными составляющими полной деформации могут быть весьма различными. Деформации, возникающие в конструкционных металлах при абсолютных температурах, не превышающих примерно 30—40 % температуры плавления, являются главным образом мгновенноупругими и мгновенно-пластическими. При этом сильно развитая мгновенно-пластическая деформация сопровождается, как правило, появлением относительно небольшой вязкопластической составляющей. Возникает так называемая низкотемпературная ползучесть , скорость которой при выдержке под постоянным напряжением затухает в течение 10—20 мин. При описании процессов мгновенно-пластического деформирования вязкопластическую составляющую полной деформации обычно учитывают лишь в сумме с мгновенно-пластической деформацией. При абсолютных температурах, превышающих указанный предел, металлы склонны к интенсивному и продолжительному вязкопластическому деформированию (высокотемпературная ползучесть). Из общей деформации высокотемпературной ползучести металлов иногда выделяется и небольшая вязкоупругая составляющая, но в инженерных расчетах ею обычно пренебрегают. [c.7]
Местные искажения кристаллической решетки в зонах дислокаций приводят к возникновению локальных самоуравновешенных полей усилий в межатомных связях с накоплением соответствующей потенциальной энергии. При достаточном сближении двух или более дислокаций, скользящих в пересекающихся плоскостях, зоны местных искажений кристаллической решетки и соответствующих местных усилий перекрываются, причем, если в результате этого перекрытия общая потенциальная энергия возрастает, то возникают силы отталкивания, препятствующие сближению дислокаций, что создает сопротивление их скольжению и ведет к упрочнению материала. Если же общая потенциальная энергия в результате объединения дислокаций убывает, то возникают силы притяжения, и такие разнозначные дислокации частично или полностью друг друга нейтрализуют. В реальных кристаллах плоскости скольжения множества дислокаций распределяются неравномерно, группируясь в пачки, которые образуют так называемые полосы скольжения , являющиеся зонами интенсивных макроскопических деформаций сдвига. Между этими полосами остаются слои материала, не испытывающего пластических сдвигов. [c.8]
Наряду с механизмом скольжения дислокаций возможно пластическое деформирование путем двойникования, т. е. такая переориентация некоторой области кристаллической решетки, при которой эта область оказывается зеркальным отображением остальной части кристалла относительно некоторой плоскости (плоскости двойникования). Пластические деформации, возникающие при этом, составляют 20—30 %. [c.8]
Перемещающиеся дислокации могут взаимодействовать как друг с другом, так и с точечными дефектами, которые играют роль препятствий. В зонах образования узлов дислокаций и их скоплений перед препятствиями местные искажения кристаллической решетки могут достигать такой степени, что происходят разрывы физических связей с образованием микроскопических трещин. Построено достаточное количество дислокационных моделей такого трещинообразования. [c.9]
Конструкционные металлы являются конгломератом спаянных, но случайно ориентированных анизотропных кристаллических зерен. На стадии упругого деформирования максимальные касательные напряжения в отдельных зернах могут отличаться от средних макроскопических напряжений по ориентировочным подсчетам до полутора раз (в обе стороны). Пластическое деформирование начинается сначала только в отдельных, наиболее неблагоприятно ориентированных зернах, в которых касательные напряжения значительно выше средних значений, и лишь при дальнейшем увеличении напряжений зона пластических деформаций распространяется на значительные объемы. Совокупность пластических сдвигов в отдельных зернах создает полосы скольжения, проходящие через конгломерат многих зерен и приблизительно совпадающие по направлению с плоскостями действия наибольших касательных напряжений, определяемых обычными методами механики сплошной среды. Схематически этот процесс показан на рис. 1.2. Под действием сдвигающих усилий отдельные слои материала скользят относительно друг друга, причем объем деформируемого материала остается постоянным. В результате получается угол пластического сдвига 7шах- Полосы скольжения являются местами концентрации микротрещин, из множества которых на определенном этапе деформирования формируется одна или несколько магистральных (микроскопических) трещин вязкого разрушения, которые могут быть [6, 541 трещинами сдвига или трещинами нормального отрыва. В первом случае говорят о разрушении путем сдвига или среза, во втором случае — о разрушении путем отрыва. [c.10]
Если хотя бы одно из главных напряжений является растягиг вающим, то разрушение данного материала может происходить (в зависимости от вида напряженного состояния, температуры и скорости нагружения) как путем среза, так и путем отрыва, причем степень развития предельных пластических деформаций, зависящая от тех же и некоторых дополнительных факторов, может быть весьма различной. Это подтверждается многими исследованиями, посвященными микромеханике процессов пластического деформирования и разрушения 168, 69, 731. [c.11]
При оценке результатов опытов по исследованию предельного сопротивления пластичных материалов необходимо иметь в виду, что предел несущей способности образцов в виде растянутых стержней и тонкостенных трубок, подвергающихся в различных сочетаниях действию осевой растягивающей силы, крутящего момента, внутреннего, а иногда и внешнего давления, исчерпывается во многих случаях не в связи с собственно разрушением, т. е. трещинообразованием, а в связи с возникновением неустойчивости равномерного деформирования. Потеря устойчивости приводит к локализации пластических деформаций в виде шейки, наблюдаемой в обычных опытах на растяжение образцов пластичных материалов, или в виде местного вздутия в стенке трубки. Местные пластические деформации развиваются некоторое время без разрушений при снижающихся нагрузках, как это видно, например, из диаграммы растяжения образца в разрывной машине с ограниченной скоростью смещения захватов, а уже затем в зоне наиболее интенсивных деформаций возникает трещина. [c.12]
Раннему трещинообразованию способствует и плохое состояние поверхности материала, что может вызываться, например, воздействием агрессивной среды. В подобных случаях истинный и условный пределы прочности равносильны истинному др или условному сопротивлению разрыву Ор. [c.14]
Кривая растяжения титанового сплава 3 (рис. 1.5) проходит на стадии пластического деформирования почти параллельно оси деформации, а соответствующая истинная диаграмма деформирования (рис. 1.6) близка к участку экспоненты с тангенсом угла наклона, удовлетворяющим условию (1.4). В этом исключительном случае устанавливается как бы безразличное равновесие, причем явного шейкообразования не происходит, но количество полос скольжения уменьшается при возрастающей концентрации пластических деформаций в пределах каждой отдельной полосы. Начиная с общей пластической деформации удлинения порядка 10 %, первоначально гладкая поверхность образца становится шероховатой и на ней выступают так называемые фигуры скольжения в виде различных выступов и впадин. [c.14]
Вопросам неустойчивости пластического деформирования при сложном напряженном состоянии посвящен ряд специальных исследований [261. Важно отметить, что при некоторых напряженных состояниях несущая способность тонкостенных трубчатых образцов исчерпывается как вследствие локализации пластических деформаций, так и в их отсутствие. Например [26], к моменту разрушения тонкостенных трубчатых образцов стали СТ20 локализация пластических деформаций отсутствовала при таких напряженных состояниях, которые характеризовались углом вида девиатора напряжений (см. гл. 2) примерно в пределах л/12 со, —л/24, причем к моменту разрушения выполнялось постоянство максимального касательного напряжения порядка 315 МПа. При всех углах вида девиатора в диапазоне — л/6 со, л/3 разрушению предшествовала локализация пластических деформаций в форме шейки или вздутия. [c.14]
Рассмотрим некоторые особенности процессов склерономного упругопластического деформирования при заданном режиме циклического нагружения. Возможны два типа таких процессов, начальное нагружение может привести к пластической деформации, которая остается неизменной, так как в ходе дальнейшего нагружения материал не выходит из области упругого деформирования, и происходит так называемое приспособление материала или некоторого конструкционного элемента к заданным условиям циклического нагружения или сопровождается пластическим деформированием попеременно в прямом и обратном направлениях. [c.14]
На рис. 1.7 показана кривая циклического деформирования некоторого материала, обладающего свойством так называемой циклической стабильности . Напряженное состояние является линейным, и линия ОА представляет собой кривую первичного нагружения. Рассмотрим два деформационных процесса. В первом случае происходит разгрузка из состояния А до В, затем нагрузка сжимающим напряжением до состояния С по закону упругости, снова разгрузка до Б, нагрузка растягивающим напряжением до Л и т.д. Так как начальная пластическая деформация ОВ в ходе дальнейшего деформирования не изменяется, то в данном случае имеет место приспособление. Во втором случае (приспособление отсутствует) материал проходит начальное нагружение до того же состояния А, затем разгрузку АВ и нагрузку сжимающим напряжением по кривой BDE, далее разгрузку по линии EF и снова нагрузку по кривой FGA. При периодическом повторении такого цикла нагружения путь пластического деформирования FB совершается каждый раз дважды от исходного состояния О к В п от В к О, затем от О к F и от F снова к О. Площадь петли пластического гистерезиса FGADE численно равна необратимой работе деформирования в каждом цикле. Основная часть этой работы переходит в тепло и рассеивается путем теплообмена, а некоторая, относительно очень малая доля, расходуется на развитие повреждений малоцикловой усталости. При наличии же приспособления может иметь место лишь многоцикловая усталость, связанная не со знакопеременным пластическим деформированием макроскопических объемов материала, а с развитием локальных пластических деформаций в отдельных кристаллических зернах. [c.15]
ЦИКЛОМ изменения напряжения (мягкое нагружение), в то время как при заданном цикле изменения деформации (жесткое нагружение) для образования каждой очередной петли гистерезиса потребовалось бы постоянное нарастание от цикла к циклу размаха напряжений. [c.16]
Процесс циклического деформирования реальных металлов и сплавов осложняется тем, что обычно степень и характер деформационной анизотропии на протяжении определенного числа циклов постепенно изменяется. Некоторые конструкционные металлы, называемые циклически разупрочняющимися, склонны при мягком нагружении к постепенному расширению петель пластического гистерезиса, в то время как материалы, называемые циклически упрочняющимися, склонны к постепенному сужению ширины петель. В предельном случае изотропного упрочнения, когда эффект Баушингера отсутствует, ширина петли стремится к нулю. Существуют и циклически стабильные материалы, для которых характерна постоянная или быстро устанавливающаяся ширина петли пластического гистерезиса. При стационарном жестком нагружении циклически упрочняющихся материалов размах напряжения возрастает, а в случае циклически разупрочняющихся — убывает. [c.17]
Одностороннее накопление пластических деформаций при мягком нагружении проявляется особенно заметно в случае знакопостоянных циклов нагружения. [c.17]
При условии общего приспособления к циклическому нагружению в кристаллических материалах все же появляются весьма малые по площади петли гистерезиса, связанные с наличием в каждом цикле микропластических деформаций, развивающихся в отдельных, наиболее напряженных кристаллических зернах. Как и в случае малоцикловой усталости, значительная часть необратимой работы деформирования рассеивается теперь на протяжении весьма большого числа циклов в виде тепла, но некоторая доля этой работы приводит к развитию усталостных повреждений. [c.18]
Сведения о физической природе многоцикловой усталости изложены, например, в работах [12, 25, 30, 50, 73, 93, 97, 105]. [c.18]
Процесс накопления повреждений, зарождающихся в дискретных полосах скольжения, делят на несколько стадий [25, 931 При феноменологическом же описании многоцикловых усталостных разрушений с целью построения расчетной модели обычно ограничиваются рассмотрением двух основных укрупненных стадий стадии рассеянных (диссеминированных) повреждений (микротрещин, вакансий и т. п.) и стадии развития магистральной трещины, хотя фактически граница этих стадий размыта, и ее приходится фиксировать в определенной мере искусственно. Отношение длительностей обеих стадий может быть весьма различным в зависимости от характера циклического напряженного состояния и типа нагружения (мягкое или жесткое) рассматриваемого конструкционного элемента. При однородном напряженном состоянии и мягком нагружении преобладает стадия рассеянных повреждений, и конец этой стадии можно с определенным приближением рассматривать как наступление полного разрушения, считая, что магистральная трещина развивается в указанных условиях практически мгновенно. [c.19]
При построении кривой усталости приходится считаться с большим рассеянием долговечностей (чисел циклов до разрушения), отвечающих одинаковым уровням максимальных за период цикла напряжений и одинаковым коэффициентам асимметрии цикла нагружения. Под указанной кривой обычно понимают такую, которая проходит на каждом уровне а ах через точку, отвечающую среднему для этого уровня значению долговечности Np. Ордината, соответствующая базовому числу циклов No, называется условным пределом выносливости. В зоне тех уровней Сттах, на которых все испытанные образцы разрушаются, соответствующий участок кривой строится по известным правилам статистической обработки результатов наблюдений [80, 81 ]. Однако на достаточной низких уровнях напряжения часто возникает ситуация, когда часть образцов проходит базу No, как правило. [c.19]

Вернуться к основной статье

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...