Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние остаточных напряжений и скорости нагружения на прочность твердых тел

    Posted 8/2/2009 в 9:03:53 ПП

    Как известно, остаточные напряжения существуют в телах независимо от внешних воздействий (силовых и температурных) и возникают вследствие неоднородности линейных или объемных деформаций в смежных объемах материала. В соответствии-с размерами последних различают макро-, микро- и ультрамикроскопические напряжения (напряжения первого, второго и третьего рода). Первые научные исследования по остаточным напряжениям принадлежат X. Родману (1857 г.), И. А. Умнову (1871 г.) и Н. В. Калакутскому (1887 г.), которые впервые предложили метод измерения внутренних напряжений. Однако эти работы долгое время оставались незамеченными, и только с двадцатых годов нашего века было обращено серьезное внимание на изучение вопросов, связанных с внутренними напряжениями.
    Единой классификации внутренних напряжений, по-видимому, не существует. Наиболее полная и точная классификация была предложена Н. Н. Давиденковым (1936) и уточнена Б. М. Ровинским (1948, 1949). Вопросу «классификации и номенклатуры внутренних напряжений» был посвящен доклад Э. Орована на симпозиуме по внутренним напряжениям в металлах и сплавах (Лондон, 1948), в котором определение внутренних напряжений отвечало понятию «внутреннего напряжения», введенному еще Н. В. Калакутским. Не касаясь анализа этих вопросов, можно условно разделить остаточные напряжения на макронапряжения и микронапряжения в зависимости от скорости изменения напряжений по пространственной координате. Макронапряжения — это такие напряжения материала, которые несущественно изменяются в пределах размера зерна.
    В дальнейшем здесь будут затронуты некоторые вопросы, связанные с влиянием остаточных напряжений на прочность и деформации деталей, учитывая действие макроскопических напряжений.
    Необходимым условием возникновения внутренних напряжений является появление неоднородности деформированного состояния в различных точках тела (нарушение условия совместности деформаций). Эта неоднородность может быть вызвана самыми различными причинами: неоднородным тепловым расширением или сжатием при неравномерном нагреве или охлаждении тела, фазовыми превращениями, приводящими к неоднородным объемным изменениям (закалка, затвердевание, охлаждение после сварки и т. д.), неоднородной пластической деформацией и т. д.
    Сложность изучения закономерностей появления остаточных напряжений связана с необходимостью учета механических, тепловых и физико-химических факторов, влияющих на ход технологического процесса.
    Вопрос об определении остаточных напряжений, возникающих в ходе металлургического и технологического процессов, очень сложен, так как для его решения требуются теоретические исследования происходящих при этом физико-химических процессов. Перспективные исследования в этом направлении были начаты Я. С. Подстригачом (1964 и сл.). Эксплуатационные остаточные напряжения, вообще говоря, могут быть вычислены в рамках соответствующих механических моделей сплошной среды с необратимой реакцией.
    Рассмотрим влияние остаточных напряжений на прочность при статических и переменных нагрузках. Многочисленные экспериментальные данные указывают на сильное влияние остаточных напряжений на надежность и долговечность конструкций и сооружений. Разрушение последних (зачастую в начале эксплуатации) при достаточно низком уровне действующих напряжений иногда объясняется неблагоприятным распределением остаточных напряжений. Как показывают опыты, для пластичных материалов остаточные напряжения мало влияют на величину разрушающего усилия, а пластическая деформация, возникающая от однократных внешних нагрузок, приводит к уменьшению или даже полному исчезновению остаточных напряжений.
    Исследование влияния остаточных напряжений на статическую прочность хрупких материалов показало, что величина разрушающей нагрузки обычно ниже значения этой же нагрузки при отсутствии остаточных напряжений. Возникающие перед разрушением малые пластические деформации не устраняют остаточные напряжения, и при склонности материала к хрупкому разрушению влияние остаточных напряжений может оказаться весьма значительным.
    Для уменьшения остаточных напряжений и снижения их вредного влияния на хрупкую прочность обычно применяют специальную термообработку деталей. Как известно, остаточные напряжения могут изменяться под воздействием циклических нагрузок. Если сумма остаточных напряжений с переменными больше предела упругости материала, то при циклическом нагружении возникают пластические деформации, уменьшающие остаточные напряжения. Более того, в том случае, когда пластическая деформация, обусловленная переменными напряжениями, превышает величину первоначальных остаточных напряжений, может наблюдаться изменение знака остаточных напряжений (Л. А. Гликман, 1956).
    В том случае, когда суммарные напряжения (остаточные и переменные) меньше предела упругости материала, остаточные напряжения мало изменяются при действии переменных нагрузок.
    Как показали экспериментальные исследования, если происходит снижение остаточных напряжений, то это имеет место в поверхностных слоях, более слабых по своей физической природе. В этом случае для сохранения остаточных напряжений применяют наклеп поверхностных слоев и обдувку дробью, приводящие к возникновению сжимающих остаточных напряжений и повышению усталостной прочности деталей (С. В. Серенсен, 1950; И. В. Кудрявцев, 1951; М. М. Кобрин, 1954; М. М. Северин, 1955). Таким образом, сжимающие остаточные напряжения повышают усталостную прочность, в то время как растягивающие действуют неблагоприятно. Увеличение усталостной прочности при значительных  остаточных напряжениях в большей степени проявляется для менее пластичных материалов и при концентрации напряжений.
    Явление остаточных деформаций при термических циклах подверглось изучению в работах А. А. Бочвара и др. (1957), А. А. Бочвара и Г. И. Том-сона (1957), Н. Н. Давиденкова и В. А. Лихачева (1960).
    Исследованием влияния остаточных напряжений на процесс разрушения занимались В. А. Ломакин, Я. С. Подстригач, С. Ф. Юрьев (механические исследования по определению величин остаточных напряжений в связи с объемными изменениями), С. П. Борисов, Н. А. Бородин (вопросы релаксации остаточных напряжений), В. П. Когаев, М. Н. Степнов (количественные закономерности повышения и понижения несущей способности в связи с полями напряжений, температурно-временным фактором) и многие другие.
    При расчетах на прочность в некоторых случаях необходим учет скорости нагружения, так как в реальных условиях процессы деформирования происходят с самыми различными скоростями, от крайне малых (например, в условиях длительной ползучести) до весьма высоких скоростей (например, в тех случаях, когда процессы пластической деформации и разрушения заканчиваются в ничтожные доли секунды). Основную массу работ в этом направлении составляют экспериментальные исследования, связанные с определением механических свойств динамически деформируемых материалов. Наиболее полный обзор проведенных в этом направлении исследований можно найти у Л. П. Орленко (1964), а также в книге П. М. Огибал ова и И. А. Кийко (1966), где приведены сведения относительно поведения материалов при сверхинтенсивных воздействиях.
    Статические и динамические характеристики армко-железа и различных сталей при ударном и скоростном нагружений приведены в монографии Ю. Я. Волошенко-Климовицкого (1965).
    Влияние скорости нагружения, в общем, сводится к тому, что с увеличением скорости нагружения относительная роль пластических эффектов уменьшается и разрушение становится более хрупким.
    Лучше всего исследовано влияние скорости нагружения для углеродистых сталей. При этом вводятся два предела текучести (верхний и ниж-ний) и оказывается, что наиболее чувствителен к изменению скорости нагружения верхний предел. Чтобы иметь представление о величине этого эффекта, заметим, что при увеличении скорости нагружения на порядок верхний предел текучести углеродистых сталей увеличивается примерно на 4 кг/мм21. Таким образом, при увеличении скорости нагружения на пять порядков, что примерно соответствует переходу от статического к ударному нагружению, верхний предел текучести возрастает на 20 кг/мм2. Ясно, что для мягких (малоуглеродистых) сталей этот эффект весьма существен, а для высокопрочных (высокоуглеродистых) сталей им мояшо пренебречь.
    П. И. Скоков и В. И. Беляев (1966), применив статистическую теорию прочности, исследовали вопрос о повышении сопротивляемости деформированию с увеличением скорости деформации. Авторы показали, что увеличение скорости деформирования приводит к более равномерному распределению напряжений по сечению образца. При исследовании конструкционных сталей, подвергнутых разным видам термической обработки, Г. И. Погодин-Алексеев и Б. А. Артамонов (1964) провели сравнение диаграмм деформаций, построенных методом деформационных характеристик и путем осциллографирования на ненад-резанных образцах. Продолжая исследования в этом направлении, В. И. Бугай и В. Т. Трощенко (1966), с учетом экспериментальных данных, показали, что рассеяние энергии в условиях упруго-пластической деформации зависит от степени неоднородности и вида напряженного состояния (например, по данным Ф. С. Савицкого (1964), потери энергии в условиях упруго-пластического удара при изгибе составляют приблизительно 7%, а при ударном растяжении — 5%).
    В. Я. Мороз, А. В. Попов и Ю. П. Согришин (1964) изучали влияние скорости деформирования на пластичность различных сталей, а также алюминиевых и других сплавов. Эти материалы авторы подразделили на три группы в зависимости от реакции на повышение скорости деформирования.
    Статические и динамические испытания медных образцов, проведенные А. Г. Бобровым, А. И. Николаевой и Е. О. Швайковской (1964), показали, что при динамическом нагружений кристаллическая решетка искажается меньше, чем в случае статического испытания.
    В отличие от металлов и большинства естественных материалов, для полимеров характерно более сильное влияние таких факторов, как скорость деформирования, температурные и временные эффекты.
    В работе К. А. Керимова (1965) на примере резины и поливинила было показано, что динамические кривые «напряжение — деформация», близкие к прямым, лежат выше статических, причем в области напряжений, близких к нулю, остаточные деформации от динамических нагрузок могут втрое превышать статические.
    Исследование различных пластиков (эпоксиднойолиэфирная смола, поливинил-бутираль, стеклотекстолиты) позволило Н. П. Иванову и В. А. Степанову (1965) выявить довольно сильную зависимость ударной прочности от температуры (увеличение скорости удара в 107 раз в условиях повышенных температур приводит к повышению прочности в 3—6 раз, тогда как при температуре —196° при таком повышении скорости прочность повышается только на 25%).
    В работе С. М. Кокошвили и В. П. Тамужа (1966) проведено исследование влияния скорости деформирования на механические свойства образцов из полиформальдегида. Результаты показали, что увеличение скорости деформации приводит к повышению прочности материалов, в то время как податливость практически не меняется, что приводит к увеличению энергии разрушения.

    Тэги: