Общие понятия о нагрузках, напряжениях, деформациях и разрушении материалов

Внешние нагрузки, действующие на элементы конструкций и машин, распределены в той или иной мере по некоторой площади или объему.

J^

fl+f

P 7?Г^

\

Рис. 2.1. Основные виды нагружения:

а — растяжением; б — сжатием; в — изгибом, г — кручением, д — срезом

Вследствие этого распределенные нагрузки могут быть поверхностными (например, давление воды или пара на стенку трубы) и объемными (напри­мер, силы тяжести, инерции, магнитного притяжения). Однако для упроще­ния расчетов распределенную нагрузку можно заменить равнодействующей сосредоточенной нагрузкой.

В зависимости от изменения во времени нагрузки подразделяются на статические и динамические. Статические нагрузки, а следовательно и ста­тическое нагружение, характеризуются малой скоростью изменения своей величины. А динамические нагрузки изменяются во времени с большими скоростями, например при ударном нагружении.

В зависимости от характера действия нагрузки подразделяют на растя­гивающие (рис. 2.1, а), сжимающие (рис.2.1, 6), изгибающие (рис. 2.1, в), скручивающие (рис.2.1, г), срезывающие (рис.2.1, д). Изменение нагрузки может иметь периодически повторяющийся характер, вследствие чего их называют повторно-переменными или циклическими (рис. 2.2). В разнооб­разных условиях эксплуатации конструкций и машин воздействие перечис­ленных нагрузок может проявляться в различных их сочетаниях.

Под воздействием внешних нагрузок, а также структурно-фазовых пре­вращений в материале конструкции возникают внутренние силы, которые могут быть выражены через внешние нагрузки. Внутренние силы, приходя­щиеся на единицу площади поперечного сечения тела, называют н а п р я -

цикл^

Р

Рис. 2.2. Схема циклического нагружения:

а — растяжением; б —сжатием; в — знакопеременным нагружением

жениями. Введение понятия на­
пряжений позволяет проводить расче­
ты на прочность конструкций и их
элементов.
■гчс»r la В простейшем случае осевого

fF₀ "' Е растяжения цилиндрического стержня

—I I---- 1--- 1 (рис.2.3, а) напряжение а в попереч-

р Jp ном сечении легко определить как

отношение растягивающей силы Р к
^а площади поперечного сечения F₀, т. е.

Рис. 2.3. Схема нормальных и каса­тельных напряжений: а — сила Р, перпендикулярная плоскости сечения (F0); б — сила Р, не перпендику­лярная плоскости сечения (F\)

, В общем случае, когда сила Р не перпендикулярна плоскости рассмат­риваемого сечения F_x, полное напря­жение <S\ можно разложить на две со­ставляющие: нормальное напряжение а_т направленное перпендикулярно данной плоскости, и касательное т, направленное вдоль этой плоскости (рис.2.3, б). На рис. 2.3, б наклонная плоскость F_t расположена под углом а к плоскости по­перечного сечения стержня. Площадь наклонного сечения равна F, = F₀/cosa. В плоскости этого сечения действует общее напряжение ст, = P/F_t = acosa. Разлагая это напряжение по правилу параллелограмма на составляющие, получаем, что нормальное напряжение о„ = a cos² а, а касательное напря­жение T = ocosasina = 0,5asin2a. Отсюда следует, что максимальное нор­мальное напряжение возникает при a = 0° и равно а (рис.2.3, а), а максималь­ное касательное напряжение возникает при a => 45° и равно а/2.

После снятия внешней нагрузки в теле могут оставаться внутренние на­пряжения. Причиной возникновения внутренних напряжений могут быть также резкие перепады температур и структурно-фазовые превращения, про­исходящие в процессе технологической обработки материалов. Существует следующая классификация внутренних напряжений:

• внутренние напряжения первого рода — напряжения, возникающие ме­жду крупными частями тела (макроскопические напряжения);

• внутренние напряжения второго рода — напряжения, возникающие ме­жду смежными зернами или внутри зерен (микроскопические напряжения);

• внутренние напряжения третьего рода — напряжения, возникающие внутри объема, охватывающего несколько ячеек кристаллической ре­шетки (субмикроскопические напряжения).

Действие внешних сил приводит к деформации тела, т. е. к изменению его размеров и формы. Если на поверхности тела вблизи рассматриваемой точке А нанести прямоугольник со сторонами / и h (рис. 2.4, а), то после

деформации этот прямо- _t l+_bL

<■*

а

а

Рис. 2.4. Схема линейной и угловой деформации: а — исходное состояние; б — состояние после дефор­мации

угольник может изменить свои размеры и форму (рис. 2.4, б). Стороны прямоуголь­ника могут увеличиться на А/, уменьшиться на ДА или по­вернуться на угол у = а + Р

по отношению к первона­чальному прямому углу¹ меж­ду сторонами. Деформация, характеризующая изменение линейных размеров, называется линейной, а деформация, характеризующая изменение углов, — угловой или деформаци­ей сдвига. Линейная или угловая деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле — пластической (остаточной).

В процессе упругой деформации атомы в кристаллической решетке не­значительно смещаются друг относительно друга. Чем больше изменяются расстояния между атомами, тем больше становятся силы межатомного взаи­модействия. При снятии внешней нагрузки под действием этих сил атомы воз­вращаются в исходное положение, искажения решетки исчезают, а тело прини­мает первоначальные форму и размеры.

В процессе пластической деформации атомы в кристаллической решетке смещаются на большие расстояния, чем при упругой деформации, причем это смещение становится необратимым. После снятия нагрузки в результате пластиче­ской деформации размеры и форма тела изменяются. Смещение атомов при пла­стической деформации может происходить скольжением (сдвигом) и двойникова-нием. Скольжение происходит по плоскостям и в направлении с наиболее плотной упаковкой атомов, где расстояния между соседними атомными плоскостями наи­большие, а силы взаимодействия между ними наименьшие, в результате чего со­противление сдвигу также будет наименьшим. При двойниковании происходит такое смещение части зерна, при котором эта часть занимает зеркально-симметрич­ное положение по отношению к несмещенной части зерна (см. рис. 1.18).

Упругопластическая деформация при достижении достаточно высоких напряжений может завершиться разрушением тела. Процесс разрушения со­стоит из нескольких стадий: зарождение микротрещин, образование макро­трещин, распространение макротрещины по всему сечению тела.

В общем случае различают вязкое и хрупкое разрушения. Вязкое разрушение происходит срезом под действием касательных напряжений и сопровождается зна­чительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен волок­нистый (матовый) излом детали или образца. Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом.

г

Ц*й

±

X

Т,

а

Рис. 2.5. Схемы скопления дислокаций у границы зерна с образованием микро­трещины (а), разрушения срезом (б) и отрывом (в):

/ — скопление дислокаций; 2 — граница зер­на, 3 — микротрещина

Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушениях происходит путем скопления дисло­каций перед границами зерен (рис. 2.5) или другими препятствиями (не­металлические включения, карбидные частицы, межфазовые границы и др.), что приводит к концентрации напря­жений. При анализе микроструктуры различают транскристаллитное (по телу зерна) и интеркристаллитное (по границам зерен) разрушения. Разру­шение металла в условиях эксплуата­ции конструкций и машин может быть не только вязким или хрупким, но и смешанным — вязкохрупким.

2.2. Механические свойства и классификация методов механических испытаний материалов

Механическими свойствами материалов называют свойства, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. В результате таких испытаний определяют количественные характеристики механических свойств. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.

Контроль механических свойств начинается еще при производстве ме­талла на металлургических заводах. Когда металл или прокат поступает к потребителю, например на машиностроительные заводы, его отбирают в за­висимости от уровня характеристик механических свойств для изготовления тех или иных изделий с учетом условий их эксплуатации. При изготовлении изделий металл подвергается различной технологической обработке (меха­нической, термической и др.), под воздействием которой происходят изме­нения в структуре и механических свойствах. Поэтому необходим контроль механических свойств металла и на различных стадиях изготовления изделий.

В процессе эксплуатации изделий под влиянием различных факторов (повышенные или пониженные температуры, давление, агрессивная среда и др.) изменяются структура и механические свойства, что с течением времени приводит к ухудшению свойств и даже разрушению металла. Это вызывает

необходимость периодического контроля механических свойств металла с целью выявления опасных зон в деталях и конструкциях и предотвращения аварий. Более того, во многих отраслях промышленности (например, в теп­лоэнергетике, нефтегазохимии и др.) насчитывается большое число агрега­тов, пробывших длительное время в эксплуатации и выработавших свой рас­четный срок службы. Поэтому требуется уточненная оценка их остаточного ресурса, которая невозможна без определения и учета фактических механи­ческих свойств материалов, из которых изготовлены эти агрегаты.

При проведении механических испытаний стремятся воспроизвести та­кие условия воздействия на материал, которые имеют место при эксплуата­ции изделия, изготовленного из этого материала. Многообразие условий службы материалов обусловливает проведение большого числа механиче­ских испытаний. Но вместе с тем основными признаками, позволяющими классифицировать виды механических испытаний, являются:

• способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, цикличе­ское нагружение и др.);

• скорость нагружения (статическая, динамическая);

• протяженность процесса испытания во времени (кратковременная, дли­тельная).

Существуют и другие признаки классификации, которые характеризу­ются сложностью напряженно-деформированного состояния, режимами на­гружения, типами образцов, агрессивностью среды.

В результате механических испытаний материалов определяют следую­щие характеристики: упругость, пластичность, прочность, твердость, вяз­кость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.