Тріщиностійкість матеріалів і цілісність конструктивних елементів

Зміст

 Вступ…………………………………………………………………………….

1. Тріщиностійкість матеріалів і цілісність конструктивних елементів…….

2. Узагальнення результатів дослідження…………………………………….

3. Висновок………………………………………………………………………

4. Список використаної літератури……………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Із різноманітних властивостей металів – основних матеріалів, що використовуються у машинобудуванні, – найважливішими є механічні властивості: пружність, міцність, твердість, пластичність, опір втомі та повзучість, чутливість до концентраторів напружень, опір руйнуванню, які в більшості випадків є основними для вивчення і доцільності застосування того або іншого металу.

Знання механічних властивостей важливе як для конструкторів, так і для технологів. Дослідження природи властивостей металевих матеріалів показало, що найважливіші властивості, зокрема опір пластичній деформації і руйнуванню, залежать від особливостей структурного стану металу. При цьому до поняття структури металу входять не лише загальні характеристики металографії – зерно, структурний стан самих зерен і частинок, а також і дефекти кристалічної будови атомних ґраток металів. Енергетичні характеристики руйнування більш чутливі, ніж зміцнювальні, до різного роду окрихчувальних факторів і вони полегшують прогноз поведінки матеріалу в умовах експлуатації.

У технологічних і  структурних діях на матеріал закладені великі можливості підвищення конструкційної міцності. Наприклад, збільшення здатності матеріалу до поглинання енергії шляхом прискорення і полегшення мікрорелаксації напружень, а також зменшення внутрішніх розтягувальних напружень шляхом вимкнення джерел цих напружень.

Успішне розв’язання  названих задач можливе тільки при  узгодженій роботі фізиків, механіків, конструкторів, технологів і металознавців.

 

 

 

 

 

 

1. Тріщиностійкість матеріалів і цілісність конструктивних елементів

Нині пошук ефективних рішень практичних завдань спрямований  в основному на розробку спрощених методів, що називають зазвичай інженерними. Сотні публікацій містять опис різноманітних методик оцінки конструкційної цілісності деталей з тріщинами відриву. Найбільш досконалі з них базуються або на побудові діаграми оцінки руйнування [1], або на концепції визначення тріщинорухаючої  сили [2]. Перший підхід передбачає існування певної, не залежної від геометрії деталі, межі розділу між областями її небезпечного і безпечного деформування. Другий підхід відрізняється від першого тим, що процес визначення тріщинорухаючого параметра і подальшого порівняння цього параметра з характеристиками матеріалу. Між даними інженерними підходами немає суттєвих відмінностей, що зазначено розробниками стандарту SINTAP [3]. В обох випадках використовуються одні й ті ж параметри руйнування, а також одні й ті ж характеристики міцності, пластичності і тріщиностійкості.

 Розробники стандартів [1-3] вважають, що інваріантні характеристики міцності і тріщиностійкості конструкційних матеріалів можуть бути визначені за даними випробувань лабораторних зразків. Показники широко використовуються в нинішніх методах оцінки цілісності пошкоджених деталей. Разом з тим деякі зі спеціалістів вказують на винятково наближений характер будь-яких розрахунків, в яких застосовуються параметри асимптотичних полів напружень і деформацій у кінчику ідеалізованої тріщини.

В стандартних підходах до оцінки критичного стану тріщин таким полям відповідають критеріальні вирази типу або . Вони використовуються у випробуваннях на тріщиностійкість як крихких неметалевих матеріалів [4], так і високопластичних металів і сплавів [1-3]. Незважаючи на подібність методів визначення характеристик тріщиностійкості металевих і неметалевих матеріалів, вони мають суттєві відмінності. Так, критичний стан тріщини в зразках, деталях і спорудах з бетонів і гірських порід неможливо передбачити без ретельного аналізу різноманітних аспектів масштабного ефекту [5]. І навпаки, в стандартних процесах оцінки міцності і тріщиностійкості металевих виробів ефект масштабу, якщо і враховується, то з використанням досить спірних вихідних передумов.

Твердження про інваріантність стандартних характеристик міцності і тріщиностійкості помилкове навіть в простому випадку випробувань зразків з оптично прозорих і структурно однорідних матеріалів типу силікатного скла. Добре відомо, що шляхом зменшення діаметра зразка, випробуваного на одновісний розтяг, можна на три десяткових порядки збільшити технічну межу міцності скла. З іншого боку, одним тільки зменшенням показника двухвісності k можна збільшити характеристику скла в десятки разів [6, 7]. Ось чому кореляційні зв'язки між стандартними характеристиками міцності і тріщиностійкості для цих та, мабуть, для будь-яких інших матеріалів не мають визначеного фізичного смислу.

Проте, дані про наявність однозначних зв'язків між характеристиками міцності і тріщиностійкості наявні, мало не в кожному випуску спеціалізованих журналів, що публікують роботи в області механіки руйнування. Їх автори надають цим зв'язкам смисл теоретичних співвідношень між параметрами мікроструктурного пошкодження матеріалу і характеристиками його тріщиностійкості. Насправді відповідні математичні вирази можна використовувати тільки як засіб компактного представлення того чи іншого (завжди надмірно обмеженого) набору експериментальних даних.

Область використання "теорій" такого типу не виходить за рамки опису явищ, які спостерігаються в лабораторних умовах. Зазначені співвідношення не можна використовувати як інструмент прогнозування не спостережуваних явищ, тобто процесів зародження і росту тріщин у важкодоступний місцях складних конструктивних елементів. Стосовно до обговорюваних кореляційних зв'язків справедливе наступне твердження [8]: "... їх не можна вважати результатом оригінальних досліджень, оскільки шукані співвідношення використовуються як спосіб ведення звичайного бухгалтерського обліку".

Ось чому, навіть для подібного  роду "теорій" сорокарічної давності неможливо знайти прямих і незалежних доказів їхньої практичної корисності. Область застосовності розглянутих "теорій" якщо і оцінюють, то тільки самі автори і тільки шляхом порівняння з аналогічними "теоретичними виразами".

Методи визначення характеристик  статичної тріщиностійкості непомірно ускладнюються при переході від випробувань крихких склоподібних матеріалів до випробувань тонколистових металів і сплавів. Йдеться про пластичні матеріали, які руйнуються при плоскому напруженому стані в умовах загальної плинності. В даний час немає прийнятного математичного опису явищ локалізації пластичних деформацій, зародження природної тріщини і її росту в листових металах. Переважна більшість відомих підходів до оцінки цілісності тонкостінних конструкцій - це надмірно спрощені інженерні процедури. Тому в проекти [9, 10] майбутніх міжнародних стандартів враховані тільки ті параметри руйнування, значення яких можуть бути визначені за даними прямих вимірювань, тобто апаратурно.

Прийнятний підхід повинен відображати  взаємодію всіх змінних, контролюючих руйнування матеріалу в умовах загальної  плинності. Як мінімум, необхідно узгоджено описати ефекти пружності (деформування вільних поверхонь тріщини), пластичності (включаючи ефекти історії навантаження, розвантаження та перерозподілу напружень), геометричних недосконалостей, неоднорідності і анізотропії властивостей досліджуваного матеріалу. Для такого опису треба мати математичну модель глобальної і локальної появи шийки. Потрібна модель повинна враховувати вплив на ці процеси закономірностей накопичення розсіяних і локалізованих пошкоджень.

Кількісним описом пошкоджень матеріалу можуть бути якісь узагальнені параметри полів залишкових деформацій і напружень в області кінчика тріщини в ненавантаженій деталі. Для їх визначення потрібно знати форму, розміри і розподіл нерівномірностей поблизу лінії фронту тріщини, обриси цієї лінії, а також форму і розміри локальної шийки. Практична спрямованість ЕМ несумісна із залученням методів прямих вимірювань значень відповідних параметрів. Також неприйнятним складним є використання специфічних методів мікроструктурного аналізу та чисельного моделювання полів напружень і деформацій усередині ЗАП (зони активних пошкоджень), насиченої різноманітними нерівномірностями.

В якості альтернативного джерела  відомостей про пошкодження матеріалу запропоновано використовувати профіль тріщини в повністю розвантаженому зразку. Систематичні дослідження зв'язку між початковим профілем тріщини і узагальненими параметрами пошкодження матеріалу, по всій видимості, не проводилися. Класичні підходи механіки руйнування майже за визначенням, обмежені аналізом поведінки гострокутних математичних розрізів, поверхні яких в тілі без напружень завжди поєднані один з одним. Підхід до опису стабільного росту тріщин з урахуванням історії попередніх навантажень частково базується на експериментальному визначенні параметрів та профілю центральної тріщини в повністю розвантаженому зразку.

За аналогією з методами R6 [1] і SINTAP[3], використовуються концепції багаторівневого (ієрархічного) аналізу руйнування. Зі збільшенням ієрархічного рівня підвищується складність рекомендованої процедури і одночасно знижується ступінь консерватизму прогнозованих навантажень, зміщень і приростів тріщини.

Передбачалося, що в ізотропному  матеріалі конструктивного елемента відсутні будь-які неоднорідності (структурні або геометричні) а також технологічні або експлуатаційні ушкодження. Наявність неоднорідностей і пошкоджень може істотно змінити характеристики опору руйнуванню матеріалу деталі. Щоб переконатися в справедливості цього твердження, досить порівняти результати випробувань зразків НМ (Т), що містять еталонний виріз і еталонну тріщину надриву.

Питома робота рівноважного руйнування майже повністю визначається витратами енергії на пластичне деформування матеріалу поза зонами розвитку процесу руйнування. Для еталонної тріщини ці витрати, що характеризуються величиною , в два рази менші, ніж для еталонного вирізу. Разом з тим, питомі витрати енергії в ЗАП, тобто в зонах до граничної пошкоджуваності, слабо чутливі до рівня початкової пошкодженості матеріалу. Це новий і обнадійливий факт, з точки зору подальшого вдосконалення розроблюваної математичної моделі для опису зони розвитку процесу руйнування в матеріалах різних класів [7, 11].

Результати експериментальних досліджень стабільного росту тріщин в алюмінієвому сплаві 1163АТ свідчать про застосовність ЕМ до оцінки конструкційної цілісності пластин  довільної форми і розмірів, виготовлених з цього сплаву. Важливо підкреслити, що відносна простота ЕМ в окремих випадках поєднується з неприйнятно високим ступенем консерватизму, що виявляється при порівнянні результатів випробувань зразків НМ (Т) і ММ (Т-ТС). Це суттєвий недолік спрощеного варіанту ЕМ.

Точне відтворення історії попередніх навантажень для деталей з тріщинами природного походження навряд чи можливо, а для штучно вирощених тріщин це складний і дорогий процес. У зв'язку з цим другий рівень аналізу руйнування передбачає проведення додаткових випробувань зразків LМ (Т) або НМ (Т) з еталонними тріщинами надриву. За результатами випробувань зразків, що містять еталонні концентратори напружень, можуть бути встановлені верхня і нижня межі для характеристик тріщиностійкості матеріалу БКЕ.

Третій рівень аналізу граничного стану деталі призначений для отримання кількісних оцінок впливу на розвиток тріщини, дозованих ушкоджень. У цьому випадку разом зі значеннями , і повинні бути визначені характеристики механічної поведінки матеріалу всередині ЗАП. Такими є: локальна міцність , пластичність і щільність енергії деформацій деякого представленого об’єму матеріалу навколо кінчика рухомо-рівноважної тріщини. Їм надана суть характеристик критичного стану матеріалу в області зародження природної тріщини надриву. Поверхні цієї тріщини перетинають поверхню так званої малої геометричної недосконалості, яка розташовується в центрі зазначеної області.

Показники мікроструктурного пошкодження матеріалу у вершині рухомо-рівноважної тріщини залежать як від історії попередніх навантажень, так і від розмірів початкового дефекту. За інших рівних умов ступінь пошкодження матеріалу всередині ЗАП тим вище, чим менша відстань між кінчиками початкового тріщиноподібного дефекту. Крім того, параметри цих зон чутливі до розмірів ослабленого перерізу деталі. Тому критичні розміри ЗАП доцільно визначати окремо від характеристик тріщиностійкості матеріалу деталі [12, 13].

Залежно від специфіки  інженерного завдання матеріал зразка в вихідному стані може містити одну або декілька областей дозованого пошкодження. Кожна область має задану форму, розміри і місце розташування. Крім того, для кожної з них повинен бути визначений  показник початкового пошкодження. Типи дозованих пошкоджень, способи їх створення та рівні початкового пошкодження не підлягають регламентації в силу неоднозначності та складності рішень відповідних завдань. Причиною тому служить не реалістичність самої ідеї внесення до конструкційних матеріалів стандартних початкових ушкоджень. Накопичення технологічного та експлуатаційного пошкодження може бути обумовлено широкою гамою температурно-часових і силових впливів на конструктивний елемент. Можливі також різноманітні фізико - хімічні впливи, пов'язані з процесами зміни об’єму матеріалу деталі, його структури і властивостей.

 Для деталей відповідального  призначення рекомендується в кожному конкретному випадку встановлювати свій (специфічний і найбільш небезпечний) тип пошкодження. Різні, в тому числі критичні, рівні дозованих ушкоджень треба вносити в зразки ідентичної форми і розмірів. Далі в ході статичних випробувань необхідно ініціювати процес утворення природної тріщини поблизу центральної точки області ініціювання руйнування (ОІР). Остання має форму квадрата розміром 2R х 2R, який розташований симетрично стосовно центру повністю розвинутої ЗАП. Граничні розміри і цієї області показані на рисунку, де зображена зона ЗАП у зразку з ізотропного, недеформованого, ненапруженого і неушкодженого матеріалу, в якому немає мікроструктурних або геометричних неоднорідностей. Її зовнішній контур симетричний по відношенню до центральної точки пластини. У момент "і" виникнення природної тріщини пошкодження матеріалу всередині ЗАП досягає гранично високого рівня. Передбачається, що кордони ОІР (область ініціювання руйнування) розташовані на досить великій відстані від зовнішніх контурів проблемної області зразка. Ця вимога дозволяє в першому наближенні знехтувати чутливістю характеристик , . і до зміни показника , контролюючого рівень глобальної обмеженості деформованого зразка.