Усталость и механика разрушения

Усталость и механика разрушения [c.180]

Существует много теорий, построенных не только на критериях текучести и разрушения. К ним относятся атомно-молекулярная теория прочности статистическая теория прочности и пластичности теории прочности, базирующиеся на линейной механике разрушения структурно-энергетическая теория усталости. Все эти теории проходят стадию апробирования. В практике же применяются так называемые классические теории прочности (см. 7.3). [c.92]

Развитие механики твердого тела на этих стадиях способствовало новой постановке вопросов сопротивления материалов, расчета прочности и долговечности элементов конструкций. Возникла вероятностная трактовка расчета на сопротивление усталости по признаку возникновения трещины, разработаны методы линейной механики разрушения для расчета на сопротивление хрупкому разрушению, методы расчета на сопротивление повторным пластическим деформациям в связи с явлениями усталости в пределах малого числа циклов. Эти методы все шире используются при проектировании высоконагруженных конструкций, они получают отражение в нормативных материалах промышленности. [c.5]

Разрушение и усталость композиционных материалов — это, очевидно, одна из наиболее спорных и, несомненно, одна из наиболее важных областей технологии, требующая исследования и понимания, когда этот класс материалов необходимо использовать — например, при создании конструкций. Применение методов линейной механики разрушения к этим материалам ограничено не только из-за анизотропии и неоднородности структуры композитов, но также из-за способности отдельных компонентов деформироваться пластически. Кроме того, механизмы повреждения композитов совершенно отличны от механизмов повреждения однородных и изотропных материалов, и, таким образом, основные понятия и допущения, которые применимы к более простым материалам, здесь несправедливы. В этом томе я попытался объединить исследователей различных специальностей для обсуждения и обобщения основных понятий, теорий и экспериментов, разработанных до настоящего времени, в целях лучшего понимания разрушения и усталости композитов. [c.9]

Все главы книги посвящены анализу неупругих свойств в задачах деформирования и разрущения композитов. Последовательно рассмотрены общие вопросы построения композитов, природа их прочности и пластичности, механизм разрушения и усталости материалов с разной укладкой арматуры дан анализ разрушения слоистых композитов в условиях одноосного и двухосного нагружений с обзором критериев предельных состояний для анизотропных материалов осуществлен учет вязкоупругости в задачах деформирования и разрущения очерчены области применения линейной механики разрушения для композитов наконец, рассмотрены напряжения, возникающие вблизи волокон в процессе отверждения полимерной матрицы. [c.5]

Проблема оценки чувствительности конструкций из композита к повреждениям настолько сложна, что неясными являются даже подходы к ее решению. В сложившейся ситуации целесообразно попытаться применить методы расчета и анализа, разработанные для металлов. Если использованный метод окажется работоспособным, то открывается возможность добиться успеха сравнительно малыми усилиями. Для задач усталости и разрушения композитов разумно попытаться использовать методы механики разрушения, развитые применительно к металлам. Безусловно, следует быть готовым к тому, что перенос этих методов на новый класс материалов не всегда окажется [c.51]

Оценка результатов испытаний на усталость на основе параметров линейной механики разрушения имеет то преимущество, что сведения, полученные на образцах различной конфигурации, могут быть приведены к единому сопоставимому виду. В этом случае результаты испытаний любых образцов, для которых существует точное решение для определения коэффициента интенсивности напряжений, могут быть сопоставлены по этому параметру без каких бы то ни было ограничений, в отличие, например, от параметра o l, предложенного Фростом. Проще в этом случае осуществить и переход от данных, полученных на лабораторных образцах к реальным конструкциям. [c.122]

После опубликования работ Пэриса, в которых впервые были использованы подходы линейной механики разрушения к описанию закономерностей роста трещины усталости, накоплен большой экспериментальный материал, дающий в настоящее время возможность более ясно представить общие закономерности развития трещины, действующие механизмы разрушения и характер зависимости скорости распространения усталостной трещины от параметра механики разрушения (амплитуды коэффициента интенсивности напряжений Ь.К) при низких и высоких скоростях роста. [c.250]

Следует отметить, что качественно новым шагом в изучении коррозионного растрескивания и коррозионной усталости стало использование для этих целей методов линейной механики разрушения (48, 51, 81, 95]. Суть данного подхода в том, что испытываются стандартные образцы с искусственно созданными на [c.53]

Методы испытания на основе механики разрушения использованы для оценки вязкости разрушения и скорости роста трещины усталости материалов для сосудов под давлением в космической технике, емкостей для жидкого природного газа и материалов для сверхпроводящих электрических машин. Имеется несколько обзоров по вязкости разрушения при низких температурах в работе [49] приведены данные по Ki материалов авиакосмической техники в интервале температур 20—300 К, в обзоре [50] — характеристики высокопрочных сплавов, в работе [51] — свойства криогенных никелевых сталей. Данные по скорости роста трещины усталости при 4 К содержатся в обзоре [52]. Скорость роста трещины различных материалов при охлаждении уменьшается, за исключением сталей при температурах ниже температуры хладноломкости. Свойства [c.24]

В настоящее время проведено небольшое число исследований, в которых усталостное поведение материала рассматривается с помощью различных методик, описывающих механику разрушения. Следует иметь в виду, что для армированных пластиков из-за влияния вязкости диаграмма S—N зависит от циклической скорости. Делать какие-либо обобщающие выводы для этой зависимости, по-видимому, не рационально, поскольку существует большое разнообразие как композитов, армированных волокнами, так и материалов, упрочненных частицами. Здесь предпринята попытка использовать механику разрушения при рассмотрении задач усталости композитов, основываясь на исследованиях, проведенных в последнее время, в которых содержатся наиболее фундаментальные положения. [c.180]

ИЛИ элемента конструкции в широком диапазоне чисел циклов (в области мало- и многоцикловой усталости) анализ и обобщение статистических закономерностей усталости" при стационарном, программном и случайном нагружениях развитие основных принципов механики разрушения иа случай циклического деформирования в упругой и упругопластической областях разработку моделей циклически деформируемой среды и построение на их основе кривых деформирования и разрушения углубление анализа взаимодействия циклических, статических и длительных статических повреждений переход к систематическим циклическим испытаниям моделей и реальных конструкций. [c.24]

В последние годы для описания процессов коррозионно-механического разрушения, в частности, коррозионного растрескивания и коррозионной усталости, широко начали применять принципы линейной механики разрушения 154, с. 39-101 56-59 60, с. 19-26 61-63, с. 101-103 64-71 72, с. 12-21 73, с. 21-27 74]. [c.20]

Традиционные методы изучения коррозионной усталости металлов базируются на определении числа нагружений или времени до разрушения циклически дефор-мируемых в коррозионной среде образцов при заданной амплитуде переменных напряжений или деформаций и построении кривых усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах. Такой подход хотя и дает ценную информацию о долговечности изделий, однако не позволяет более глубоко проанализировать стадийность разрушения. Поэтому в последние годы интенсивно ведут поиск новых кинетических подходов к оценке коррозионно-усталостного разрушения конструкционных материалов, которые базируются на законах механики разрушения, физики твердого тела, физики металлов, электрохимии и других фундаментальных наук. Рассмотрим кратко эти подходы. [c.38]

Благодаря использованию физических методов исследования и положений механики разрушения в последнее время удалось существенно углубить познания механизма усталости металлов, предложить аналитические подходы количественного описания отдельных этапов процесса. [c.76]

Коррозионная усталость, особенно на начальной стадии зарождения поверхностных повреждений металла, изучается прежде всего с позиций физической химии [11, 29, 66], но по мере развития поверхностных раковин и трещин, проявляющих себя как концентраторы напряжений, вступают в силу закономерности механики разрушения. При этом характер процесса повреждений существенно зависит от химического состава и термообработки металла, типа агрессивной среды и таких факторов, как частота циклического нагружения и температура. Интенсивное изучение явления коррозионной усталости началось сравнительно недавно и в возрастающем потоке публикуемых исследований встречаются еще расхождения по отдельным конкретным вопросам. [c.24]

Наиболее важная часть общей системы - комплекс мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации по условиям сопротивления усталости, износу и разрушению с учетом влияния внешней среды. Основой комплекса является нормирование обязательных процедур и величин необходимых запасов по параметрам, обеспечивающим практическую невероятность. потери целостности конструкции. При этом широко используется основанный на методах линейной механики разрушения принцип безопасности повреждений конструкции, поддерживающей надежность с учетом возможности дефектов производственного и иного происхождения и практически обеспечивающий эксплуатацию парков конструкций по техническому состоянию , т.е. до появления в известных зонах трещин докритического размера, гарантированно обнаруживаемых при периодических регламентных осмотрах. [c.4]

Учебное пособие написано в рамках чтения лекций в МГТУ им. Н.Э. Баумана по курсу Конструкционная прочность машиностроительных материалов на факультете Машиностроительные технологии (кафедра Материаловедение ) и предназначено для студентов, обучающихся на материаловедов и машиностроителей. Среди механических свойств конструкционных металлических материалов усталостные характеристики занимают очень важное место. Известно, что долговечность и надежность машин во многом определяется их сопротивлением усталости, так как в подавляющем большинстве случаев для деталей машин основным видом нагружения являются динамические, повторные и знакопеременные на1 рузки, а основной вид разрушения - усталостный. В последние годы на стыке материаловедения, физики и механики разрушения сделаны большие успехи в области изучения физической природы и микромеханизмов зарождения усталостных трещин, а также закономерностей их распространения. Сложность оценки циклической прочности конструкционных материалов связана с тем, что на усталостное разрушение оказывают влияние различные факторы (структура, состояние поверхностного слоя, температура и среда испытания, частота нагружения, концентрация напряжений, асимметрия цикла, масштабный фактор и ряд других). Все это сильно затрудняет создание общей теории усталостного разрушения металлических материалов. Однако в общем случае процесс устаттости связан с постепенным накоплением и взаимодействием дефектов кри-сталтгической решетки (вакансий, междоузельных атомов, дислокаций и дискли-наций, двойников, 1 раниц блоков и зерен и т.п.) и, как следствие этого, с развитием усталостных повреждений в виде образования и распространения микро - и макроскопических трещин. Поэтому явлению усталостного разрушения присуща периодичность и стадийность процесса, характеризующаяся вполне определенными структурными и фазовыми изменениями. Такой анализ накопления струк-туршз1х повреждений позволяет отвлечься от перечисленных выше факторов. В учебном пособии кратко на современном уровне рассмотрены основные аспекты и характеристики усталостного разрушения металлических материалов. [c.4]

Более простые соотношения, учитывающие локальный характер разрушения в вершине трещины, были введены П. Парисом (Р. С. Paris). Особенностью соотношений явилось включение в них коэффициента интенсивности напряжений как меры всякого явления в вершине трещины, включая и скорость ее распространения. П. Парис, по существу, объединил теорию роста трещин при усталости с механикой разрушения. При этом им было сделано допущение, что нагружение по синусоидальному закону приводит к синусоидальному изменению поля напряжений у вершины трещины. Откуда следует, что скорость роста усталостной трещины в данном материале должна зависеть от размаха коэффициента интенсивности напряжений ДК = Кщах Kmin- Тогда закон распространения усталостной трещины в общем в виде можно описать как [c.22]

Влияние частоты нагружения на скорость распространения трещин усталости подробно изучалось Т. Екобори и К. Сато [436] методами механики разрушения. Испытывались образцы из алюминиевого сплава 2024-ТЗ и малоуглеродистой стали SM-50, представляющие собой полосу с центральным отвер- Стием и инициирующими прорезями. Частота нагружения изменялась в диапазоне от 1 до 8000 цикл./мин. Результаты эксперимента описываются зависимостью [c.199]

Получаемый массив экспериментальных данных позволяет аттестовать материалы по сопротивлению разрушению при статическом, циклическом и ударном нагружении с определением предела усталости ст.ь статической (Кю) и циклической (Ki , К, ) трещиностойкости на основе испытаний крупногабаритных образцов линейной механики разрушения с построением (при циклическом нагружении) кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР), а также показателей сопротивления разрушению при ударном нагружении -критические температуры хрупкости КТХ, ударная вязкость. [c.234]

Учебное пособие включает в себя все основные разделы курса Сопротивление мате-риало0>. С учетом требований учебной программы впервые введены разделы о малоцикло-вой усталости материалов и механике их разрушения. Достаточ1 ое количество численно решенных примеров позволит студенту-заочнику успешно выполнить контрольные работы и расчетно-графические задания. [c.2]

Во второй части изложены методы определения перемещений и сложных сопротивлений, даны теория и порядок расчета статически неопределимых балок и рам, приводятся задачи динамики, излагаются вопросы циклической прочности материалод. В отдельные главы вынесены понятия о механике разрушения и малоцикловой усталости материалов. На изучение этих вопросов обращалось особое внимание участников семинаров, проводимых Министерством высшего и среднего специального образования РСФСР в 1979 и 1984 гг. в Москве. [c.3]

Следует отметить, что в последние годы появилось очень большое число монографий по механике разрушения. Упомянем семитомный переводной труд энциклопедического характера Разрушение , монографии Морозова и Партона, Черепанова, ряд переводных сборников. Многие авторы понимают под механикой разрушения именно и только механику распространения трещины. Но в теории трещин предполагается, что материал остается упругим и не меняет своих свойств всюду, кроме окрестности конца трещины, которая или стягивается в точку в линейной механике, или рассматривается как пластическая область или область больших упругих деформаций. Такая точка зрения далеко не исчерпывает многообразия реальных процессов разрушения. При переменных нагрузках, например, уже после относительно небольшого числа циклов в материале появляются субмикроскопические трещины, которые растут и сливаются в макроскопические трещины, приводящие к видимому разрушению. Не вдаваясь в детали микроскопической картины, этот процесс можно представить как накопление поврежденности, характеризуемой некоторым параметром состояния. Кинетика изменения этого параметра должна быть включена в определяющие уравнения среды. Такая точка зрения лежит в основе того, что можно назвать механикш рассеянного разрушения. Соответствующая теория развивается применительно к усталости металлов и длительной прочности при высоких температурах. [c.653]

Для оценки скорости роста усталостных трещин использовались эмпирические формулы, в которые не входили параметры механики разрушения. Однако только введеипе в число параметров (влияющих па распространение трещины) коэффициента интенсивности напряжений позволило судить об общих закономерностях роста трещины при повторном (циклическом) нагружении. И это естественно, так как рост трещины усталости происходит на фоне упругих деформаций, кдгда справедливы критерии линейной механики разрушения. [c.258]

Рассмотрим условия, опреде.пяющие долговечность элемента конструкции на стадии развития трещины. Как указывалось, число циклов, соответствующее росту трещины от начальной длины и до критической /с, определяет долговечность данного элемента конструкции по числу циклов. Чтобы обеспечить прочность конструкции, долговечность должна быть больше числа перемен заданной нагрузки. Таким образом, наряду с оценкой материала по классической кривой Велера, существенную информацию о поведении элемента конструкции с трещиной в условиях усталости должна дать механика разрушения. Следовательно, в данном случае, как обычно, надо исходить из того, что начальный трещиноподобный дефект существует в конструкции с момента ее изготовления (несмотря на дефектоскопический контроль, который, как известно, имеет определенный допуск на размер не-обиаружпваемых дефектов). К сварным конструкциям это относится в большей мере, и в этом случае желательно иметь критические значения коэффициентов иитеисивиости напряжений (Кс или Я/с) для основного материала, материала шва и материала переходной, термически поврежденной, зоны. Кроме этого, для сварных конструкций я елательно в области сварного шва знать величину и распределение остаточных напряжений. Все это вместе взятое способствует уточнению расчетов. [c.272]

Исследования литейного алюминиевого сплава Al-Mg-Si (6082) со средним размером зерна 155 мкм путем изгиба образцов 7x12x60 мм были проведены для сопоставления влияния состояния поверхности образцов на длительность периода роста усталостных трещин [101]. Были испытаны образцы с поверхностью непосредственно после литья (S ) и с полированной поверхностью (SP). Полировку осуществляли в две стадии шлифовкой пастой с размером абразива 3 мкм и затем электрополировкой. Изучение зоны зарождения усталостной трещины при последовательной наработке в испытаниях образцов показало, что период роста трещины до достижения длины на поверхности около 100 мкм составил 35-65 % для полированных и 2-10 % для неполированных образцов. Поэтому были проведены расчеты периода роста трещин по формуле механики разрушения от их начальных размеров 6 и 45 мкм до критической длины а . = 3 мм. Оказалось, что для долговечности образцов (2-3)-10 циклов имеет место почти совпадение расчета периода роста трещины с полной долговечностью (рис. 1.19). Далее наблюдается все большее расхождение расчетного периода роста трещины и долговечности образцов. Фактически для гладкой поверхности образца независимо от степени ее поврежденности (полированная и неполированная поверхность) имеет место резкая смена в условиях зарождения и роста трещины в районе длительности нагружения 10 циклов. Меньшие долговечности отвечают области малоцикловой усталости, и для нее весь период циклического нагружения связан с развитием усталостной трещины. Большие долговечности связаны с постепенным возрастанием периода зарождения усталостной трещины. [c.58]

Рис. 1.19. Сопоставление экспериментальных данных (точки) с прогаозом по формулам механики разрушения для кривой усталости при разной глубине а, начальной трещины в образцах из литейного алюминиевого сплава 6082 (Al-Mg-Si) с поверхностью (S ) после литья и (SP) с полированной поверхностью [101]

Идеи классической мелаиики разрушения в настоящее время используются при исследовании задач усталости для определения амплитуды интенсивности напряжений А/С в уравнении (2.5) пли скорости высвобождения энергии деформирования G. Чтобы убедиться в принципиальной пригодности для композитов эмпирического подхода в форме (2.5), нужно рассмотреть основные постулаты классической механики разрушения. Чрезвычайно важно, в частности, чтобы трещина распространялась линейно, т. е. не меняя первоначального направления. Поскольку в слоистом композите может быть несколько плоскостей слабого сопротивления (например, сдвигу или поперечному отрыву), поперечная сквозная трещина в нем будет прорастать в направлении наименьшего сопротивления. Наличие такого направления определяется матрицей (в плоскости слоя и между слоями) и поверхностью раздела волокно — матрица. [c.86]

Рассмотрено последовательное развитие методов и моделей для анализа разрушения армированных волокнами материалов методами микромеханики. В основе предложенного инженерного решения проблемы лежит учет неоднородности композита, поскольку замена композита однородным анизотропным материалом не соответствует сущности происходящих явлений усталости и разрушения. В то же время не рассматривались такие тонкости явления, как механика ми-кроразрушения. В результате оказалось возможным сформулировать упрощенную модель, объединяющую реальные свойства материала с разумными инженерными допущениями. - [c.100]

Представлена краткая история и обаор модифицированной механики раз рушения Гриффитса — Ирвина. Подчеркнуто значение коэффициента интенсивности напряжений и скорости высвобождения энергии деформирования в механике разрушения изотропных и анизотропных материалов. Кратко изложена эмпирическая трактовка процесса усталостного роста трещины в изотропной среде. Затем перечислены противоречия между основными предпосылками классической теории разрушения и особенностями протекания процесса разрушения в многофазных слоистых материалах. Тем самым показана необходимость некоторого смягчения исходных предпосылок теории разрушения, которое позволило бы создать практически применимые подходы для решения задач разрушения композитов. Очень кратко, вследствие неприменимости непосредственно к решению инженерных задач, изложены основные результаты, полученные при помощи методов микромеханики, позволяющих исследовать процессы взаимодействия между трещиной, волокном и связующим в бесконечной среде. Далее огшсаны основные концепции современных макромеханических подходов для описания процесса разрушения композитов. Отмечено, что все подходы, расчеты по которым находятся в соответствии с экспериментальными данными, исключают из рассмотрения нелинейную зону или зону разрушения у кончика трещины. Более сложные теории (с учетом критического объема, плотности энергии деформирования) наилучшим образом согласуются с экспериментами на однонаправленно армированных композитах, когда трещины распространяются параллельно волокнам. Эти теории также хорошо описывают нагружение слоистых композитов под углом к направлению армирования, когда преобладающее влияние на процесс разрушения оказывает растрескивание полимерной матрицы. Расчеты по двум приближенным теориям (гипотетической трещины и критического расстояния) и комбинированному методу (модель тонкой пластической зоны) сравниваются с данными, полученными при испытании слоистых композитов с симметричной схемой армирования [ 6°]s. Приведены данные о хорошем соответствии степенной аппроксимации, применяемой для описания скорости роста трещины, результатам испытаний на усталость слоистых композитов с концентраторами напряжений. [c.221]

Исследование закономерностей усталостного разрушения металлов показало, что длительность периода развития усталостных трещин может составлять основную часть общей долговечности образца. Известно, что отношение числа циклов, необходимых для зарождения трещины, к числу циклов распространения трещины до разрушения образца зависит от механических свойств материала и уровня амплитуды напряжения. С повышением амплитуды напряжения это соотношение понижается и в малоцикловой области числом циклов, необходимым для зарождения трещины, можно пренебречь, Прямые наблюдения развития микротрещииы при циклическом нагружении металлов позволяют высказать гипотезу о возникновении трещин критической длины в конце стадии зарождения, которой соответствует число циклов на экспериментально определенной линии повреждаемости (линия Френча). Трещины критической длины возникают также при нагружении исследуемых металлов с амплитудой напряжения, равной пределу усталости. При определенных условиях они являются нераспространяющимися трещинами и определяют предел усталости металлов с точки зрения механики разрушения. [c.14]

В монографии рассматриваются два основных вида коррозии под механическим напряжением коррозионное растрескивание (разрушение металлов под совместным воздействием статической нагрузки и агрессивной среды) и коррозионная усталость (разрушение под одновременным воздействием периодической нагрузки и агрессивной среды). Механизмы растрескивания и усталости проанализированы на рснове положений механики разрушения, объясняющей их с позиций зарождения и развития в металле трещин. [c.3]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...