Разрушение масштабный эффект

Выявление и описание масштабных эффектов - одно из важных приложений механики разрушения. Масштабные эффекты возникают, конечно, не только в тех ситуациях, в которых оправдано балочное приближение. Вводя критерий разрушения, мы неизбежно вводим и некоторый характерный для данного материала размер, который отсутствует в классических моделях упругого и упругопластического тел, например у/ . С этим размером связан масштабный эффект, учет которого необходим при постановке модельных экспериментов и при пересчете их результатов на натурные условия. Масштабный эффект может проявиться по-разному в зависимости от конфигурации и напряженного состояния тела или элемента конструкции, из которого трещина черпает энергию для своего роста. В некоторых случаях, в частности в рассмотренных выше, масштабный эффект проявляется достаточно отчетливо и легко теоретически оценивается. Перечень подобных -примеров можно продолжить. Так, радиус фронта конических трещин, возникающих под действием внутреннего давления в упругом полом шаре, оказывается пропорциональным радиусу полости в степени 4/3 [12], а в плоской задаче - квадрату радиуса. [c.19]

Масштабный эффект. Для образца диаметром 100 мм из стали предел выносливости может оказаться примерно на 40% ниже, чем для образца диаметром 10 мм. Это объясняется тем, что разрушение начинается от некоторого дефекта, слабого места. Чем больше объем образца, тем больше вероятность нахождения в нем опасного дефекта. Статистическая теория прочности, объясняющая масштабный эффект, будет изложена в 20.3 применительно к иным объектам, а именно, тонким хрупким волокнам. Приведенный там анализ переносится на задачу об усталостном разрушении, для зависимости прочности от напряженного объема получается следующая формула [c.680]

Величина т вообще неизвестна, и пути ее экспериментального определения неясны. Во всяком случае она меньше, чем сопротивление композита разрушению при сдвиге. Принимая т = = 2 кгс/мм , о = 240 кгс/мм (ориентировочные оценки для углепластика), получим при d = 10 мкм, Zo = 0,3 мм. При разрыве композита поверхность разрыва напоминает щетку, из разлома матрицы, как щетинки, торчат кончики оборванных волокон. Средняя длина этих вытянутых кончиков равна неэффективной длине волокна. Результаты таких измерений показывают, что величина неэффективной длины в сильной степени зависит от технологии изготовления композита, определяющей величину т в формуле (20.5.5), для композитов углерод — эпоксидная смола величина 1а может достигать 0,5—1 мм. При этой длине большая дисперсия прочности волокон приводит к снижению прочности пучка за счет коэффициента реализации к, определяемого формулой (20.4.4), который не перекрывается увеличением средней прочности вследствие масштабного эффекта. [c.699]

Снижение предела выносливости с увеличением размеров детали получило название масштабного эффекта. Этот эффект следует рассматривать как очевидное следствие того, что максимальное напряжение в образце, а тем более в детали, не характеризует полностью процесс усталостного разрушения, а предел выносливости, как уже указывалось, не выражает в чистом виде свойств материала. Статистический характер возникновения микротрещин тесно связан с неоднородностью напряженного состояния в пределах малых объемов, и геометрическое подобие, как критерий для оценки усталостного разрушения, потребовало бы геометрического подобия всех кристаллов в структуре и даже геометрического подобия их строения. Но эти условия при переходе от малого образца к большому не соблюдаются. Естественно поэтому, что не сохраняя полного геометрического подобия, мы не получаем и силового подобия. [c.490]

При определении коэффициента запаса прочности для конкретной детали надо учесть влияние коэффициента снижения предела выносливости ( тд)-Опыты показывают, что концентрация напряжений, масштабный эффект и состояние поверхности отражаются только на величинах предельных амплитуд и практически не влияют на предельные средние напряжения. Поэтому б расчетной практике принято коэффициент снижения предела выносливости относить только к амплитудному напряжению цикла. Тогда окончательные формулы для определения коэффициентов запаса прочности по усталостному разрушению будут иметь вид при изгибе [c.562]

Мы уже видели, что величина максимальных напряжений вблизи очага концентрации, выраженная через теоретический коэффициент концентрации ад, еще не характеризует полностью роль местных напряжений в усталостном разрушении. Было замечено, что большое значение имеет также и скорость убывания этих напряжений, т. е. их градиент. Это — тоже своего рода масштабный эффект. Если местные напряжения убывают медленно, то в относительно широкой зоне местных напряжении оказывается большое число кристаллитов, и вероятность индивидуальной не-благоприятности их состояния и расположения возрастает. Если градиент большой и напряжения по мере удаления от очага концентрации быстро падают, то в среднем статистическом опасность зарождения трещины снижается. [c.401]

Влияние абсолютных размеров детали (масштабного фактора). Экспериментально установлено, что с увеличением абсолютных размеров деталей их сопротивление усталости снижается. Это объясняется статистической теорией разрушения, согласно которой при увеличении абсолютных размеров возрастает вероятность попадания дефектных зерен в зону концентрации напряжений. Существуют и технологические причины, способствующие проявлению указанной закономерности. Масштабный эффект зависит главным образом от поперечных размеров деталей и оценивается коэффициентом [c.254]

В случаях рис. I, б и в предполагалось, что волокна обладают неодинаковой прочностью и будут разрушаться преимущественно в слабых точках, удаленных от плоскости распространения основной трещины, хотя вытягивание волокна и требует затраты дополнительной работы разрушения. Распределение этих слабых точек (дефектов) по длине волокна (масштабная зависимость прочность — длина) и их степень дефектности определяют вид разрушения волокон и существенно влияют на характер излома и энергию разрушения. В предельном. случае масштабный эффект может привести к фрагментации, волокон в композите. Розен, [29] и другие исследователи рассматривали случай, когда прочность [c.143]

Г. Масштабный эффект при разрушении в условиях растяжения [c.166]

Вследствие больших пластических деформаций, возникающих при зарождении и росте пор, вязкое разрушение сопровождается относительно малым разбросом в деформациях разрушения, и, поскольку локальные условия для напряжений и пластических деформаций одни и те же, имеется слабый масштабный эффект- [c.174]

Ясно, что локализованный процесс включает элемент объема с относительно большим числом пор или включений, однако мелкомасштабные изменения в расположении частиц, что выяснено наиболее точно, несущественны. Тем не менее понимание начальных фаз локализованных процессов при вязком разрушении на основе феноменологического и теоретического подходов до сих пор не является полным. Вследствие этого не удается описать количественно относительно слабый масштабный эффект, сопровождающий этот тип разрушения. [c.175]

Ниже мы слегка коснемся статистических аспектов разрушения при растяжении слоистых материалов в процессе докритического роста трещин, связанного с накоплением повреждений. Изменчивость и масштабный эффект разрушения определяются только этой фазой разрушения. Для читателя, интересующегося вопросами вязкости разрушения и механики неустойчивого разрушения композитов, можно рекомендовать гл. V или работы [5, 11, 28, 35]. [c.181]

В работе [2] изучены и критически оценены три возможных вида разрушения композита при растяжении путем распространения трещины в матрице от разрыва волокна вследствие накопления повреждений и от разрыва слабейшего звена. Там же исследовано влияние масштабного эффекта и статистической природы прочности волокон на прочность композита. [c.41]

Для объяснения масштабного эффекта в композитах в [29] была применена идея учета пластической зоны, используемая при определении вязкости разрушения металлов. Предполагалось, что зона интенсивного высвобождения энергии, имеющая размер q, подобна внутренней гипотетической трещине, так как прочность материала без концентратора связана с вязкостью разрушения Кс следующим соотношением [c.128]

Впервые на связь между масштабным эффектом и явлением нераспространяющихся усталостных трещин обратил внимание В. Харрис, который на основе дислокационной теории разрушения вывел зависимость между теоретическим и эффективным коэффициентами концентрации напряжений в виде Яс = е- А + (1-е- А)а . [c.77]

Сравнивая формулы (13) и (15), видим, что при одних и тех же диаметрах d и do масштабный эффект при растяжении — сжатии проявляется слабее, что находится в соответствии с экспериментальными данными многих исследований. Сопоставление опытных и расчетных коэффициентов влияния абсолютных размеров поперечного сечения подтверждает приемлемость упрощенного уравнения подобия усталостного разрушения для расчетов деталей машин и возможность вычисления этих коэффициентов по весьма простым формулам (13) — (15) при вполне конкретных значениях показателя степени в них [4]. [c.100]

Методика уточнения остаточного ресурса роторов, основанная на понятии теста на неразрушение. При переносе результатов, полученных при испытании образцов, на систему деталь—условия эксплуатации ряд факторов (различия в условиях нагружения, деформирования и разрушения, наличие масштабного эффекта и т. д.) учитывают введением значительных ( jv= 10, Па коэффициентов запаса. [c.157]

В том случае, когда сталь или сплав склонны к хрупкости, они очень чувствительны к концентраторам. Резко проявляется масштабный эффект. Исследования показали [106, 107, 122, 167], что разрушение конструкций из хрупких материалов происходит при средних напряжениях, часто значительно меньших, чем предел текучести. Особенно резко возрастает склонность металла детали к хрупким разрушениям при повышении прочностных характеристик. Так, например, исследования моделей дисков показали, что при всех прочих равных условиях уменьшение размеров поперечного сечения диска в 1,8 раза приводит к увеличению конструктивной (фактической) прочности в 1,6 раза. [c.13]

Масштабный фактор (или иначе называемый масштабный эффект) тесно связан с физической природой прочности и разрушения твердых тел. Механические свойства сплава, особенно при знакопеременных или повторяющихся нагружениях, зависят от абсолютных размеров испытываемых образцов и конструкций даже в случае полного соблюдения подобия их геометрической формы и условий испытания [48, 61, 88, 144]. Предел выносливости гладких образцов понижается с увеличением их размеров, что оценивается коэффициентом влияния абсолютных размеров сечения. Для материалов с неоднородной структурой (литые стали, чугуны) влияние размеров образца на выносливость более резко выражено, чем для металлов с однородной структурой. Наиболее значительно снижается усталостная прочность с ростом размеров образца [48, 88] в случае неоднородного распределения напряжений по сечению образца (при изгибе). Форма поперечного сечения образца, определяющая объем металла, находящегося под действием максимальных напряжений, существенно влияет на выносливость образца. При плоском изгибе влияние на предел выносливости размеров прямоугольных образцов больше, чем цилиндрических. При однородном распределении напряжений по сечению гладких образцов (переменное растяжение — сжатие) масштабный эффект практически не проявляется. Характерно, что при наличии концентраторов напряжения масштабный эффект наблюдается при всех, без исключения, видах напряженного состояния. Чем более прочна сталь, тем сильнее проявляется масштабный эффект. [c.21]

Использование полученного уравнения кривой усталости дало возможность построить распределение предела усталости на базе 10 циклов для образцов диаметром 10, 20 и 32 мм и при меньшем количестве образцов в серии (рис. 68). Анализ полученных результатов показывает, что для образцов разных диаметров, испытанных как на воздухе, так и в коррозионной среде, пределы усталости, соответствующие малой вероятности разрушения (р = 2%), отличаются не существенно, т. е. нижняя граница рассеивания пределов выносливости сплава практически постоянна. С увеличением вероятности разрушения влияние масштабного фактора на усталостную прочность увеличивается, наблюдается обычный ход масштабных кривых — затухание масштабного эффекта с ростом диаметра образцов (см. рис. 67). В этом можно видеть статистическую природу масштабного эффекта [97]. Характерным для титана является отсутствие инверсии масштабного эффекта в коррозионной среде, что очень важно для возможности прогнозирования масштабного. эффекта не только на воздухе, но и в коррозионной среде по результатам большой выборки испытания малых образцов и определения нижнего предела распределения выносливости. Этот предел и будет устойчивым для данного металла независимо от размера изделия. [c.141]

МДж/м2 при 20 °С и 0,5 МДж/м при температуре эксплуатации. Выполнение этого требования осложняется отрицательным влиянием масштабного эффекта (усиление карбидной неоднородности). С увеличением диаметра (стороны) штампа с 20 до 100 мм вязкость снижается в сердцевине более чем на 30—35%. Для повышения сопротивления хрупкому разрушению штампы перед началом работы надо нагревать до 300—350 С. Температура испытаний влияет на свойства сталей повышенной теплостойкости и вязкости (табл. 74). Область применения сталей повышенных теплостойкости и вязкости приведена в табл. 75. [c.675]

Было показано, что в случае испытания сталей обычной прочности в условиях осевого нагружения масштабный эффект не имеет [места, так что статистическая теория, как теперь установлено, неприемлема. Это может быть объяснено тем, что или дефекты не дают ослабляющего эффекта (вследствие того, что каждый дефект окружен пластической зоной или из-за полного отсутствия дефектов), или же дефект критической величины, являющийся причиной разрушения, находится в каждом малом объеме материала, давая, таким образом, равную прочность при всех размерах. С другой стороны, известно, что дефекты больших размеров влияют на усталостные характеристики высокопрочных алюминиевых сплавов и, вероятно, также сверхпрочных сталей и поэтому статистический анализ их влияния, весьма вероятно, будет давать реальные результаты. [c.55]

Прочность при нулевом среднем напряжении для 10 циклов, приводящих к разрушению. Для деталей с концентраторами экспериментальные результаты показывают, что эффективные коэффициенты концентрации напряжений меньше теоретических коэффициентов концентрации напряжений вследствие масштабного эффекта или влияния градиента напряжений (см. разд. 5.11). Для 10 циклов величина эффективного коэффициента концентрации напряжений может быть найдена из уравнения (5.12), которое учитывает масштабный эффект введением характерного размера концентратора — радиуса закругления R. [c.208]

В настоящей главе рассматривается круг вопросов, связанных с теорией и методами моделирования процессов циклического нагружения элементов машин. Обсуждаются возможности приложения методов подобия и моделирования к задачам ползучести и разрушения конструкций. Рассматривается масштабный эффект при моделировании процессов разрушения. [c.217]

Зависимость характеристик прочности от абсолютных размеров образца, противоречащая основным принципам теории подобия, называется масштабным эффектом ( 10.6). Особенно сильно масштабный эффект проявляется у хрупких материалов, работающих при переменных нагрузках. Установлено, что хрупкое разрушение реального неоднородного материала, имеющего различ-224 [c.224]

В двух предыдущих разделах ( 10.1, 10.2) рассматривались частные вопросы моделирования процессов разрушения применительно к циклическому нагружению конструкций. Ниже дается анализ моделирования равновесных состояний и кинетики процесса разрушения упругих и упруго пластических тел на основе общих методов анализа размерностей. При исследовании движения трещины учитывается вязкость материала и динамические характеристики процесса. Обсуждаются вопросы подобия при моделировании устойчивости равновесных трещин. Явления масштабного эффекта, связанные с нарушением условий статистической тождественности свойств материалов, существенные при моделировании абсолютных характеристик прочности, здесь не рассматриваются. [c.232]

Влияние масштабного эффекта наблюдается не только для случаев чисто механического разрушения материала при нормальных или повышенных температурах. Известны примеры масштабного эффекта, когда разрушение имеет термический характер и наступает вследствие возникновения высоких тепловых напряжений при резких перепадах температур. [c.250]

Таким образом, существование масштабного эффекта при механических испытаниях до разрушения, как правило, делает геометрически подобные и аффинные модели непригодными для оценки абсолютных значений прочности и долговечности натурных изделий ( 10.]), Полезной областью геометрически подобного моделирования процессов разрушения остаются всесторонние сравнительные испытания, при которых может быть исключено отрицательное влияние неизвестного масштабного фактора. [c.250]

И разрушении. Масштабный эффект заключается в изменении наблюдаемого физического поведения геометрически подобных моделей и конструкций с изменением абсолютного масштаба (масштабного фактора). При этом геометрическое подобие обоснованно рассматривается как макроскопическое подобие, для которого такие размеры, как диаметр зерна, расстояние между частицами и их размер, и другие микропараметры не учитывают. В этом и заключается сущность масштабного моделирования, так как в противном случае необходимо было бы всегда пользоваться результатами только натурных испытаний. Однако, используя моделирование, следует помнить, что масштабные эффекты при пластическом течении и разрушении проявляются в виде микропроцессов на макроуровне. Например, радиус закругления острой трещины зависит от микрострук-турных факторов. В связи с этим отношения радиуса закругления. трещины к ее длине и длины трещины к размеру образца становятся геометрически неподобными величинами. [c.434]

В области вязкого разрушения масштабный эффект отсутствует, зависимость прочности от конфигурации тела определяется расчетом в рамках выбранных модели тела и условия разрушения в точке по какой-либо теории прочности. В случае идеальных упруго-пластических тел надобность в теории прочности отпадает и прочность вычисляется в рамках самой модели. В области хрупкого разрушения масштабный эффект всегда имеет место, зависимость прочности от конфигурации и размера тела (и в том числе от формы и размеров трещиноподобных дефектов) вычисляется в рамках модели упругого тела по теории Гриффита — Ирвина. В этом параграфе рассматривается в основном наиболее практически важная область переходного разрушения, в которой масштабный эффект также имеет место и которая изучена гораздо менее полно. [c.394]

Установлено, материалу 5ерсагЬ-40 свойственно проявление масштабного эффекта, что имеет место не только при изучении разрушения материала 40, но и при определении деформационных характеристик значение модуля сдвига в главной плоскости упругости симметрии (6о), определяемое из опытов на кручение, зависело от диаметра и длины образца (табл. 6.24). Данные табл. 6.24 свидетельствуют о том, что модуль сдвига материала 40, определенный на коротких образцах с малым диаметром, существенно меньше его значения для материала с длинными непрерывными волокнами. Повышенное реальное значение Оо для материала 5ерсагЬ-40 указывает на ограничение снизу, полученное из анализа соотношений (6.1)— (6,3) при = 0,5, которое устанавливает, чтоЗОо > т. е, (Зо > 15,27 ГПа. [c.198]

Основная цель данной главы состоит в освещении фундаментальных основ изменчивости и масштабного эффекта прочности хрупких и вязких однофазных материалов и особенно пластиков, состоящих из жестких, хрупких армирующих материалов, погруженных в растяжимые матрицы. Вследствие этого не будет возможности охватить во всех деталях многие интересные достижения в более традиционных аспектах разрушения композитов. Интересующемуся читателю можно рекомендовать некоторые другие главы данного тома и дополнительно следующие обзоры по прочности композитов Келли [15] — общее введение в теорию прочности волокнистых композитов Кортен [7, 8] — детальное обсуждение вопросов прочности пластиков, армированных стеклянными волокнами Розен и Дау [31] и Тетельман [35] — детальные обсуждения некоторых вопросов прочности композитов и подходов механики разрушения к разрушению композитов Тьени [34] — сборник статей различных исследователей, в которых представлено много примеров структуры и статистических особенностей разрушения отдельных композитов, таких, как бетоны, пенопласты, и неориентированных матов, таких, как бумага. [c.167]

В процессе внутреннего взаимодействия между слоями волокон может происходить расслоение [23]. В композитах с матами из случайно расположенных волокон нарушение связи может произойти в местах пересечения волокон и таким образом механически устранится взаимопроникание волокон. Для таких композитов, как бумага, которая также попадает под эту категорию, требуется построение специальной статистической геометрии, которая была рассмотрена Каллмесом, Кортом и их соавт. (библиографию можно найти в [6]). Предпринимались некоторые слабые попытки описать статистику процессов разрушения таких матов (см., например, [9]), но пока еще она недостаточно изучена, чтобы можно было понять изменчивость и масштабный эффект прочности, если последний существует для этих материалов. Вследствие неполного понимания развития процессов разрушения в таких материалах часто лучше всего вести рассмотрение на основе подхода механики разрушения, описанного Тетеяьманом [35], и исследовать статистические эффекты докритического роста трещины феноменологически, как было рассмотрено выше в данном разделе. [c.180]

Конструктивная прочность сварных узлов стационарных установок типа энергетических может быть наиболее надежно оценена с помощью специальных стендов, в которых изделие доводится до разрушения и которые используются лишь для определения работоспособности какого-либо конкретного узла. К ним могут быть отнесены, например, стенды для оценки работоспособности сварных стыков натурных паропроводов с устройствами для создания дополнительных усилийшзгиба [81], разгонные стенды для оценки прочности композитных дисков [47] и другие, описание которых приведено в п. 16. Однако и при их использовании необходимо учитывать дороговизну проводимых испытаний и невозможность рассмотреть большое число факторов, от которых зависит эксплуатационная надежность того или иного узла. Подобные стендовые испытания должны рассматриваться как заключительный этап лабораторных исследований, которыми установлен механизм разрушения и намечены меры к его устранению. Задачей стендовых испытаний является в этих условиях проверка рекомендаций лабораторных исследований с учетом влияния масштабного эффекта. Объем их ограничивается лишь теми вариантами конструкций материала и технологии изготовления, которые по данным лабораториных исследований обеспечивают максимальную работоспособность изделия. [c.107]

Интересная теория, альтернативная к теории циклической пластической деформации, высказывается в немецких работах (Булер, Бухольц и другие). Эта теория кратко изложена Хорд-жером [131]. Было замечено, что в поверхностном слое образца, испытываемого на изгиб при вращении, постепенно развиваются остаточные сжимающие напряжения и они повышают усталостную прочность. Такие остаточные сжимающие напряжения были измерены на образцах, испытание которых прекращалось перед самым разрушением. Результаты испытаний приведены в табл. 2.5. Заметим, что указанные напряжения в поверхностном слое достаточно высоки и могут влиять на усталостные характеристики. Вполне вероятно, что величина этих напряжений есть некоторая функция размеров образца, что, таким образом, объясняет масштабный эффект. Но, к сожалению, сравнительные испытания не были проделаны. [c.60]

Итак, расход материала на трубы одинаков и пропускная способность газопроводов также одинакова, но изгибная жесткость спаренного трубопровода в 2 раза меньше. В случае применения трубопровода, состоящего из п одинаковых равнопрочных труб, центры которых в поперечном сечении лежат на одной линии, изгнбная жесткость уменьшается в п раз при том же расходе материала на трубы и той же пропускной способности. Следовательно, вместо применяемых в настоящее время толстостенных трубопроводов большого диаметра рациональнее и надежнее сооружение спаренных, строенных и т. д. трубопроводов рассмотренной конструкции меньшего диаметра и с более тонкими стенками. К этому нужно добавить еще, что вероятность хрупкого разрушения для толстых труб больше из-за наличия масштабного эффекта. [c.23]

Геометрически подобндле образцы, удовлетворяющие критериям кинетического подобия, позволяют судить по данным испытаний моделей о положении фронта трещины, скоростях процесса разрушения и относительных величинах длительности разрушения натурных деталей [17]. Эти-модели оказываются полезными при сравнительных испытаниях и оценке преимуществ различных вариантов конструкций. Существенным недостатком геометрически подобных моделей является зависимость их механических свойств от абсолютных размеров образцов ( 10.6). Наличие масштабного эффекта делает геометрически подобные модели непригодными для суждения об абсолютных значениях прочности и долговечности натурных изделий. Поэтому оценка масштабного фактора при механических испытаниях совершенно необходима для правильного истолкования результатов экспериментов на моделях [ПО, 281. [c.218]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...