WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 42 |

Данная пространственно-временная локализация диссипативных структур обусловливает дискретность (скачкообразность) процесса разрушения. Проявление этой дискретности с различной динамикой протекания можно обнаружить при любых кинетических процессах, например, в скачкообразном росте трещины, появлении «зубьев» текучести при пластической деформации, циклическом диспергировании поверхностного слоя при усталостном изнашивании, акустических эффектах, сопровождающих деформацию металлов и др. явлениях. Геометрические и временные характеристики диссипативных структур, определяющие кинетику повреждаемости и разрушения материалов, при неизменных внешних условиях сохраняются достаточно стабильными.

На макроуровне в твердом теле происходит усреднение всех дискретных процессов; скачкообразное изменение физико-механических параметров сглаживается и воспринимается как непрерывный процесс.

Таким образом, дискретный процесс накопления повреждаемости создает непрерывный рост внутренней энергии деформируемых материалов. Кинетика изменения накопленной энергии повреждаемости для сталей была представлена в работах В.В. Федорова [243, 242]. Он показал, что в процессе усталостных испытаний происходит близкий к линейному рост запасенной энергии до некоторого критического значения, при котором происходит разрушение материала. Его эксперименты подтвердили правомерность структурно-энергетической теории прочности, в которой разрушение связывается с достижением внутренней энергией материала критического значения, называемого энергией активации разрушения.

В данной главе приведены результаты обоснования и применения энергетического критерия прочности твердых тел, отражающего кинетику изменения энергетического состояния деформируемых материалов от начала их нагружения до достижения критического состояния. Показаны возможные приложения полученного критерия к ряду практических задач: оценке активационных характеристик разрушения конструкционных материалов, их ускоренных испытаний и прогнозирования остаточного ресурса, а также регламентирования их механических свойств. Основное внимание сосредоточено на процессе усталости, поскольку именно этот процесс в настоящее время определяет долговечность современной техники.

2.1. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ КРИТЕРИЕВ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ Проблема разработки критериев прочности материалов возникла как решающая в науке о прочности. Практические нужды человечества требовали оценки несущей способности и долговечности твердых тел, используемых в качестве строительных и конструкционных материалов. Существующие критерии прочности конструкционных материалов обобщены на рис. 2.1.

Виды критериев прочности конструкционных материалов По учету По виду По характеру неустойчивости По способу оценки фактора используемой параметров модели времени модели Рис. 2.1. Система критериев прочности материалов Понятие прочности в общей формулировке не связано с конкретными физическими параметрами и является свойством материалов сохранять устойчивость при внешних воздействиях. Хорошая сопротивляемость материала одним воздействиям не означает высокую стойкость к другим, поэтому характеристика «прочность» в каждом случае нуждается в пояснении, к чему эта стойкость относится. Так, в последние десятилетия проблема создания высокопрочных (с высоким временным пределом) материалов в целом решалась более успешно, чем задача обеспечения их высокой стойкости к хрупкому разрушению, износу и усталости, хотя несомненная актуальность последней была очевидна еще более полувека назад.

Принято считать, что, несмотря на структурные и физико-химические особенности поверхностных слоев, модифицированных трением, закономерности их разрушения принципиально не отличаются от закономерностей объемного разрушения твердых тел, и поэтому для них не существует специальных методов прочностного анализа. Вместе с тем, очевидно, что оценка долговечности тонких поверхностных слоев требует учета гораздо большего числа факторов, нежели это принято для объемных тел. Развитию теории разрушения конструкционных материалов посвящено множество работ [125, 145, 172, 186-189, 215, 246, 249, 253, 258, 259, 263, 284 и др.]. В последнее вреФазовые Силовые Тепловые расчетные Физические Предельные Химические Структурные (мгновенные) Кинетические Механические Эмпирические Теоретические Энергетические Деформационные ЭкспериментальноТермодинамические (феноменологические) мя все больше сторонников находит тезис о единой природе прочности твердых тел [51, 118, 219, 221, 242], поэтому проблему прочности и износостойкости поверхностных слоев следует рассматривать как аспект более широкой проблемы – прочности конструкционных материалов.

2.1.1. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СИЛОВЫЕ, ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ Силовые критерии. Ранние силовые критерии прочности, ставшие классическими в теории сопротивления материалов [3], появились более ста лет назад и развивались трудами Г. Галилея (1638 г.), Л. Эйлера, Мора, А. Сен-Венана, Губера, Мизеса, Р. Гука, А. Навье, Дж. Грина, О.

Коши, С. Пуассона, Ж.Д. Аламбера, Ж. Лагранжа, Т. Юнга, Г. Лейбница, Э. Мариотта, Ш. Кулона, Г.Р. Кирхгофа, Дж. Максвелла, Баушингера и др. [246, 263]. Научную основу этих критериев составляли механика сплошных сред и теория предельных состояний. Потеря устойчивости в них связывалась с достижением в материале критических напряжений, равных пределу текучести (или пределу прочности), что дало им название предельных критериев. В данных критериях отразились наиболее ранние наблюдения за поведением материалов под нагрузкой.

Так, Галилео Галилей экспериментально установил, что критические нагрузки пропорциональны площади поперечного сечения испытываемых образцов. Причем долго считалось, что разрушение материалов происходит мгновенно при достижении критической величины нор= const мальных или касательных напряжений с, являющейся физической характеристикой прочности материала.



В настоящее время ведется дискуссия о применимости теории сплошных сред к реальным дефектным, неоднородным и анизотропным материалам, каковыми являются практически все конструкционные металлы и сплавы, и особенно деформируемые трением поверхностные слои. Кроме того, в механических критериях не учитывается ни время протекания процесса потери устойчивости (разрушение представляется мгновенным), ни действующие при этом микромеханизмы, смена которых требует не только изменения параметров модели, но и смены расчетной технологии. Механические критерии представляют собой математическую аппроксимацию эмпирических данных, поэтому И.А. Биргер, Ф. Пинежанинов и др. ученые [202, 192] не склонны рассматривать их как теории в полном смысле слова.

Основные недостатки предельных теорий [246]: 1) игнорируется атомное строение вещества, а также связанные с ним понятия структуры, дефектов и т. д. на разных масштабных уровнях; 2) разрушение не рассматривается как конечный по длительности и направленный во времени процесс; 3) теория не позволяет оценить возможные ресурсы повышения прочности материалов; 4) теория не в состоянии дать описание разрушения материалов при нагрузках и деформациях меньших критических значений (вернее, из нее следует, что это невозможно, хотя практика свидетельствует об обратном).

Несмотря на то, что подобные критерии не раскрывают физической сущности процесса разрушения, нельзя не признать, что на протяжении более чем ста лет эти простые и доступные в инженерной практике критерии играли колоссальную роль во всех отраслях машиностроения. Бурный рост науки и техники 20-го столетия во многом обязан исследованию именно предельных критериев прочности конструкционных материалов. Это связано с тем, что в определенных границах применимости механические критерии имеют массу достоинств. В некотором приближении механические критерии дают относительно простые, проверенные опытом и временем соотношения для прочностных расчетов, а с появлением программных средств (ANSYS, MSC Adams, LS-DYNA и др.) появилась возможность широкого внедрения в инженерную практику и сложных расчетных технологий, основанных на континуальных моделях и методе конечных элементов. На основании компьютерного моделирования образующихся под воздействием нагрузки полей напряжений и деформаций стало возможным определять зоны концентрации напряжений, в которых локализуются основные разрушающие процессы.

Логика предельных силовых критериев диктовала подходы к повышению прочности материалов, основанные на увеличении предела текучести, твердости и пределе прочности материалов. Однако позже вывод о преобладающем влиянии твердости на износостойкость материалов в общем случае не оправдался (за исключением абразивных видов изнашивания). До определенной величины упрочнение оказывает благоприятное воздействие на износостойкость трущихся поверхностей, но повышение твердости больше определенной величины вызывает обратный эффект.

Процесс изнашивания не вписывается в сценарий мгновенного разрушения поверхностного слоя под действием критических нагрузок. Даже несмотря на огромные давления, развиваемые на фактических пятнах контакта, образование частиц износа при усталостном изнашивании происходит только после множества циклов контактного взаимодействия выступов, вызывая периодическое охрупчивание и диспергирование поверхностных слоев. С каждым контактом в поверхностном слое происходит необратимое изменение некоторого определяющего параметра, идентификация которого – необходимый шаг в поиске объективного критерия износостойкости материалов.

Деформационные критерии. В зоне фактического контакта поверхностей при трении реализуются упругопластические деформации поверхностного слоя. Поскольку материалы обладают ограниченной способностью к пластическим деформациям, один из подходов к разработке предельных теорий прочности был основан на связи разрушения поверхностного слоя со степенью его неупругой деформации, прирастающей от контакта к контакту до некоторой критической величины. Таким образом, под деформационными критериями [239] понимаются критерии, связывающие закономерности усталостной повреждаемости и разрушения с циклическими деформациями.

Первые деформационные теории разрушения связывались с термическими характеристиками материалов и развивались в работах Ламберта, Борна, Н. Закшевского и др. Так, Н. Закшевский определил как критическое напряжение, при котором трехосное растяжение вызывает удлинение, равное термическому расширению материала при температуре плавления [243]. Деформационные критерии в современной интерпретации впервые были предложены А.В. Степановым. Они основаны на утверждении, что пластическая деформация всегда предшествует разрушению и подготавливает его, а величина суммарной деформации материала однозначно коррелирует с его повреждаемостью [243]. В этом случае долговечность материалов связывается с некоторым ресурсом пластичности. Изучению неупругих деформаций материалов при циклическом нагружении посвящены работы Коффина, Мэнсона, Лангера, Мартина, Либерти, В.Т. Трощенко, Л.Б. Гецова, С.В. Серенсена, В.В. Федорова и др. Наибольшую известность получила зависимость Мэнсона-Коффина числа циклов до N* разрушения от неупругой деформации за цикл.

k N = С. (2.1) * Анализ экспериментальных данных [239] показал, что величина параметра k может изменяться в широких пределах в зависимости от k материалов и условий испытаний, =0,23...0,1.





Б.Б. Чечулин установил [239], что пластическая деформация в отдельных зернах протекает неравномерно. При средней остаточной деформации 68% стальных образцов с содержанием углерода 0,15...0,20% деформация отдельных зерен составляет от -55 до +175%.

Эксперименты Я.Р. Раузина показали, что напряженно-деформированное состояние отдельных зерен зависит от множества случайных факторов (условий кристаллизации, наличия структурных неоднородностей и др.) и в общем случае отличается от приложенного извне. Первые полосы скольжения возникают в наиболее нагруженных кристаллитах в направлении наименьшего сопротивления сдвигу.

Несомненно, деформационные критерии – значительная веха в развитии механики разрушения, они органично вошли во многие модели разрушения материалов и изнашивания поверхностных слоев [129, 171, 280], но в последние десятилетия они вызывают у физиков растущее неудовлетворение. Установлено [242], что величина критической деформации в момент разрушения является не физической константой, т. е. свойством материала, а функцией многих переменных, в частности, условий и режимов деформаций, структуры и напряженно-деформированного состояния материала, формы и размеров образцов и т. д., которые могут вызвать расхождение теоретических и экспериментальных результатов более чем на порядок.

Энергетические критерии. Одно из первых применений предельных энергетических критериев было связано с попыткой расчета теоретической прочности материалов на основе их атомного строетр ния. Такие расчеты проводились Ф. Цвики, Дж. Де Буром, М. Борном и др. [246]. Поляни [239] предложил для оценки формулу тр = 2Т а, (2.2) тр где Т – поверхностная энергия, а – межатомное расстояние.

В 20-е годы прошлого столетия большую известность в механике разрушения приобрели работы Гриффитса, посвященные изучению разрушения хрупких тел с эллипсообразной трещиной. Согласно его представлениям необходимым условием для прорастания трещины является появление в ее вершине энергии, достаточной для образования двух новых поверхностей. Увеличение трещины приводит к перераспределению потенциальной энергии в материале: она все больше сосредотачивается в малой области у вершины трещины. Условие самопрорастания трещины реализуется при напряжении 2ЕТ =, (2.3) к с к ск где – длина трещины.

Предыдущие критерии не учитывали пластическую деформацию, сосредоточенную в области вершины трещины, имеющую место даже при разрушении хрупких материалов (стекол, минералов и др.).

Орован развил теорию Гриффитса с учетом затрат энергии на работу пластической деформации в вершине трещины.

Е(Т + ) =, (2.4) к b bгде – работа пластической деформации; – глубина трещины.

> > T Поскольку (для железа в 1000 раз), величиной поверхностной энергии в формуле Гриффитса можно пренебречь.

Выражения (2.2-2.4) являются примером неявного использования энергетических критериев, когда они используются для оценки предельных силовых параметров, несмотря на то, что возможная область их применимости значительно шире обычных силовых критериев.

Позже предельные энергетические критерии стали выражаться непосредственно через критические удельные энергетические параметры разрушения (вязкость разрушения). Наибольшее распространение поаk лучила оценка вязкости разрушения материалов по результатам ударных испытаний образцов с надрезом, которую находят как отношение затраченной при ударе работы А к площади поперечного сечеFния в месте разрушения. Исследованиями ударной вязкости занимались Г.И. Погодин-Алексеев и др. Практика показала, что ударная вязкость позволяет судить о стойкости материалов к хрупкому разрушению, однако данный критерий не имеет исчерпывающего физического обоснования по ряду причин: 1) поверхность разрушения является трехмерной, поэтому точная оценка ее площади проблематична; 2) большая часть энергии тратится не на образование новых поверхностей при растрескивании, а на предшествующую пластическую деформацию, сосредоточенную в некотором объеме образца, прилегающем к месту разрушения [243], в связи с чем В.В. Федоров определил ударную вязкость как условный параметр, непригодный для применения в расчетах на прочность.

Минул почти век с тех пор, как немецкие ученые Шюле и Бруннер предложили в качестве критерия прочности материалов при динамических испытаниях образцов с надрезом принять механическую работу разрушения, отнесенную к пластически деформированному объему [243]3. Далее, в 20-х гг. прошлого века, эти взгляды развиваВ настоящее время подобные критерии носят различные названия: «объемная ударная вязкость», «объемная плотность работы разрушения», «удельная работа разрушения», «плотность энергии разрушения» – прим. авт.

лись в работах Мозера, Зауервальда, Виланда, которые установили, что при ударном изгибе надрезанных образцов объемная ударная вязкость весьма мало зависит как от размеров образцов, так и от режимов нагружения. Сложность применения предложенных ими критериев заключалась в трудности точной экспериментальной оценки пластически деформированного объема [243] вследствие неравномерности и локальности процесса деформации.

Чанг [239], а до него Гольцев Д.И. и Хэнсток предложили условие N (D - Dr ) = Dсум разрушения материалов записать в следующем виде: p, Dr где – необратимо рассеянная энергия за цикл. Г.Е. Мартин и Л.В.

Муратов в качестве критерия усталостного разрушения предложили принять суммарную энергию упрочнения.

Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.