Структура металла и хрупкость стальных изделий
..pdfкости высоковязких конструкционных сталей
oBi даН.мм2 |
^мс» |
С |
*в = |
даН/мм2 |
= п м с /а 0,2 |
||
|
даН/мм2 |
(расчет) |
|
57 |
85 |
65 |
1,8 |
52 |
85 |
60 |
2,1 |
45 |
85 |
52 |
2,5 |
56 |
97 |
64 |
2,4 |
56 |
97 |
64 |
2,4 |
II
II |
|
Ч>, % |
|
|
|
2 |
6 |
58 |
1,9 |
14 |
63 |
1,6 |
70 |
70 |
2 |
55 |
65 |
1,7 |
55 |
65 |
ности стали (Кв) будет достаточным для подавления микроскола при наличии дефекта данной силы j <С 7„р по (10.1), то возможность воз
никновения лавинного разрушения от данного дефекта будет исклю чена, поскольку других путей инициирования разрушения у малого дефекта нет. Остановимся подробнее на критических параметрах дефектов (jKV, KtHp) в сталях, используемых для строительства ма
гистральных трубопроводов.
Отечественная промышленность изготовляет для газопроводов с рабочим давлением 75 атм трубы диаметром 1420 и толщиной стенки 17,5 мм из стали 09Г2СФ {119], основные механические свойства которой приведены в таблице 10.1. При пределе текучести 47 даН/мм2
для этой стали Д мс=85 даН/мм2, |
|----- *--------------------------у ----------- |
|||||||||||
откуда К в = |
1,8. Следователь- |
<знб/бг |
|
|
|
|
|
|||||
но, критическая жесткость опас |
|
|
|
|
|
|
||||||
ного для такой стали дефекта |
|
|
|
|
|
|
||||||
;'1ф = 1,8, что соответствует эл |
|
|
|
|
|
|
||||||
липтической трещине с парамет |
|
|
|
|
|
|
||||||
ром остроты tip « |
30 |
(рис. 9.1) |
|
|
|
|
|
|
||||
и теоретическим коэффициентом |
|
|
|
|
|
|
||||||
концентрации |
упругих |
напря |
|
|
|
|
|
|
||||
жений Kt та 6 (рис. 10.2). Уве |
|
|
|
|
|
|
||||||
личению |
К в соответствует стре |
|
|
|
|
|
|
|||||
мительный рост |
концентрации |
|
|
|
|
|
|
|||||
напряжений Kt, |
требуемой для |
|
|
|
|
|
|
|||||
обеспечения данной локальной |
|
|
|
|
|
|
||||||
жесткости / Кр. |
Столь резкое уве- |
Рис. 10,2. |
Влияние запаса вязкости на |
|||||||||
личение^безопасной концентра |
||||||||||||
несущую |
способность |
стали, |
содержа |
|||||||||
ции упругих |
напряжений \К{\ |
щей концентратор напряжении, при од |
||||||||||
при небольшом повышении за |
ноосном растяжении (схема): |
|
|
|||||||||
паса вязкости приводит к тому, |
1 — макроконцентратор в виде кольцевого над |
|||||||||||
реза по данным рис. 9.8; |
2 — мелкий дефект |
|||||||||||
что для стали с К в « |
2,5 даже |
с J’max = 1*э <п0 |
Условию |
Я„ = |
jmax); |
3 — |
||||||
концентратор |
с |
чрезвычайно |
то же, что |
и 2 для |
микроскола внутри |
зоны |
||||||
пластичности (Кве = jmax); 4 — образец, ис |
||||||||||||
большим |
параметром |
Kt = 70 |
содержащий концентраторов (отношение<JB/CTt ); |
|||||||||
окажется недостаточным для ре |
•5— допустимое напряжение |а] |
по условию |
||||||||||
ализации |
критерия |
хрупкого |
[а] = 0,5ав; |
6 — рекомендуемая |
область [о] |
|||||||
для стали, содержащей дефекты с жесткостью |
||||||||||||
микроскола, |
поскольку |
созда- |
^max ^ I*®* |
|
|
|
|
|
||||
14* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 1 1 |
ваемая им локальная жесткость меньше 2,5. Как видим, пробле ма повышения силовой надежности трубопроводов сводится преж де всего к повышению характеристики К в конструкционных ста
лей. Анализ механических свойств широкого набора типичных
конструкционных |
сталей, применяемых |
в технике, |
показывает* |
|||
что |
с ростом прочности требования к |
пластичности |
сталей тако |
|||
вы, |
что |
запас их |
вязкости снижается |
и |
асимптотически прибли |
|
жается |
к уровню |
Кв = 1,4—1,6 (рис. |
8.14). Это объясняет, поче |
му высокопрочные конструкционные стали оказываются более чув ствительными к присутствию различных дефектов. Чтобы увеличить дефектостойкость (в указанном смысле) высокопрочных сталей, не обходимо обеспечить опережающее повышение сопротивления микросколу Иж в сравнении с ростом предела текучести. Решать такие за
дачи технологически трудно — требуется добиться сильного измель чения зерна за счет специального легирования и диспергирования всей структуры стали путем тщательно выполненной контролируе мой прокатки. Запас вязкости К в одной из таких зарубежных ста
лей, близкой по прочности к стали 09Г2СФ, находится в пределах 2,4—4,0, что, по-видимому, можно считать признаком ее высокой надежности в трубопроводах. Вместе с тем можно использовать дру гой, более простой и экономичный путь повышения дефектостойкости таких сталей, связанный с реализацией резервов, скрытых в применя емых в настоящее время запасах прочности. В рассматриваемом при мере запас прочности трубопровода по отношению к разрушающему давлению принимается двукратным, т. е. составляет 100 % рабочего давления, равного 75 атм. Давление гидроиспытаний труб на 25 % превышает рабочее. Возникает вопрос, какую роль в обеспечении на дежности играют остальные 75 % запаса прочности. Предположим, 10 % учитывают неизбежные колебания в составе и свойствах приме
няемой стали, еще 15 % — случайные превышения рабочего давле ния, возможные в экстремальных условиях. Оставшиеся 50 % запаса резервного давления бесполезны, поскольку для факторов перегруз ки макроскопического порядка этот уровень нагружения (150 % ра бочего давления составляет почти 115 атм) уже недосягаем даже в самых неблагоприятных условиях, а для обеспечения безопасности от присутствия концентраторов напряжений двукратного запаса по упругим напряжениям совершенно недостаточно, поскольку сопро тивляемость стали вредному действию дефектов зависит от ее запаса вязкости, а именно от Кв.
Проведем следующее рассуждение. Предположим, что мы имеем дело с неким силовым элементом, работающим при коэффициенте запаса прочности К п = 2,0. Увеличится ли надежность работы этого элемента, если мы перейдем к большему запасу прочности K D= 3?
Без учета пластических свойств материала на этот вопрос однознач но ответить нельзя. Действительно, мы можем повысить запас проч ности изделия за счет увеличения прочности стали без увеличения Дмс, например, путем снижения температуры. Очевидно, что несмот ря на увеличенное значение коэффициента Кп в данном случае нель
зя ожидать повышения надежности изделия, поскольку снижение 8а-
2 1 2
паса вязкости К в неизбежно увеличит ее чувствительность к кон
центраторам напряжений. Хрупкому металлу трудно защищаться от действия дефектов за счет создания запаса прочности, поскольку не обходимый запас прочности по пределу текучести практически линей но связан с коэффициентом концентрации упругих напряжений: при К в = 1 запас прочности Кп = 3 будет почти полностью перекрыт де фектом с концентрацией напряжений Ki = 3. Но если мы снизим прочность материала (например, повысив немного температуру) при * том же уровне R MCи том же уровне рабочей нагрузки, то несмотря
на снижение запаса прочности надежность (дефектоустойчивость) изделия вследствие даже небольшого повышения К в весьма сущест
венно возрастает. Таким образом, наличие повышенного коэффициен та запаса прочности К п еще не говорит о достаточной надежности ра
боты изделия — все в гораздо большей мере зависит от запаса вяз кости металла. Поэтому в изделиях из стали гораздо выгоднее использовать не упругий запас прочности, а добавочный запас вязкос ти материала К в, который намного эффективнее «гасит» вредное дей
ствие малых, но острых дефектов. Из табл. 10.1 видно, что увеличив
К в от 1,8 |
до 2,1, |
т. е. |
на |
15 |
% мы повышаем уровень безопас |
|
ной концентрации |
напряжений |
(К/ = 6 -г- 14), на 130 |
%. Увели |
|||
чить К в до |
2,1 при том |
же |
значении i?MC= 85 даН/мм2 |
несложно, |
||
достаточно |
лишь |
незначительно |
(на 15 %)' понизить предел теку |
чести стали — до 40 даН/мм2, что при неизменном рабочем давлении
соответствует очень |
небольшому снижению запаса прочности, на |
5 %: К п = 2 -г- 1,9 |
(см. табл. 10.1). Уменьшить предел текучести |
стали технологически значительно проще, чем повысить сопротивле ние микросколу. Достаточно частично разлегировать сталь по леги рующим элементам, создающим упрочняющий эффект в ферритной матрице, снизив, например, содержание марганца или кремния, оста вив технологию прокатки неизменной. В табл. 10.1 приведены ожи даемые свойства таких гипотетических сталей (ОЭГФкп и 09Фкп), у которых сопротивление микросколу остается на прежнем уровне (85 даН/мм2) за счет сохранения их мелкозернистости вследствие легирования ванадием, а К в повысится соответственно до 2,1 и 2,5
за счет небольшого понижения предела текучести. Частичное разлегирование стали как средство повышения запаса вязкости экономично, тогда как контролируемая прокатка, используемая в настоящее вре мя для производства толстолистовой трубной стали, требует специ ального оборудования и сложна технологически. Имеет смысл изы скать более простой путь повышения К в стали, ориентированный на
сохранение состава стали п. 1 по основным легирующим элементам с использованием обычной технологии горячей прокатки. Для компен сирования небольшой потери прочности можно в допустимых преде лах повысить содержание углерода (табл. 10.1, п. 4).
Сталь 14Г2АФ разработана и выпускается в промышленных мас штабах для строительных конструкций как высокопрочная мелко зернистая феррито-перлитная сталь с нитридами ванадия [116]. Та кая структура обеспечивает высокое значение i?MC, что наряду с по вышенной прочностью придает ей хорошую пластичности высокую
213
сопротивлйемость хрупкому разрушению и удовлетворительную сва риваемость. Умеренная стоимость при поставке в нормализованном состоянии обеспечивает возможность широкого использования этой стали для изготовления ответственных сварных металлических кон струкций [116]. В то же время по показателю Кв = 2,4 сталь 14Г2АФ
в нормализованном состоянии может обеспечить значительно более высокую устойчивость к действию концентраторов напряжений, а следовательно, и более высокую сопротивляемость зарождению ла винных разрушений, чем сталь 09Г2СФ контролируемой прокатки:
при К в = |
2,4 допускаемая безопасная концентрация упругих напря |
жений К\ |
= 55 в сравнении с Kt = 6 для стали п. 1 (табл. 10.1). |
Для стали со столь высокой дефектостойкостью запас прочности мо жет быть несколько снижен, например К п от 2 до 1,7, что достаточно
для обеспечения безопасности по вариациям макроскопических фак торов (колебания по уровню рабочего давления и разброс свойств стали). Сэкономленный запас прочности может быть использован либо для соответствующего повышения (на 15 %) рабочего давления,; либо для уменьшения расхода металла (табл. 10.1, п. 5). Как видим,; увеличение характеристики Кв стали позволяет объединить решение
двух противоречивых задач — повышения надежности и снижения металлоемкости изделий. В этом уникальность К в как физической
характеристики вязкости металла, отличающей ее от других извест ных показателей пластичности и вязкости. Опираясь на тради ционные показатели этих свойств (б, ф, ап, К\е и др.), невозможно
было бы осуществить подобный анализ проблемы силовой надежнос ти элементов металлических изделий и сооружений.
Таким образом, обеспечение силовой надежности в значительной мере основано на способности стали сопротивляться действию кон центраторов напряжений, но следует различать при этом свойства трещино- и дефектостойкости. Понятие трещиностойкости характери зует способность материала нести служебную нагрузку при наличии достаточно большого трещиноподобного дефекта, опасное критиче ское значение которого скр оценивается с помощью коэффициента вязкости разрушения К\с. Следовательно, при с <С скр данный де
фект не снижает несущей способности материала и поэтому не опасен.
Но в |
той же стали может наблюдаться малый, |
но более острый де |
|
фект, и если создаваемая им жесткость |
будет |
выше критической |
|
(] > |
Кв), то возможен случай, когда при |
некоторой нагрузке, мень |
шей общего предела текучести, изделие разрушится от мелкого ост рого дефекта раньше, чем от трещины с <С скр. Сталь, трещиностой
кая по отношению к трещине с, может не обладать достаточным сопротивлением действию более острых мелких дефектов, т. е. необ ходимой дефектостойкостью. Пока невозможно корректно рассчи тать номинальное напряжение, при котором мелкий острый де фект вызывает микроскол, но можно оценить предельные условия, при которых дефектостойкость и трещиностойкость материала со впадают.
Для мелкого острого дефекта микроскол невозможен раньше раз вития общей текучести материала, если /тах Кв. Трещина дли-
214
ной с не станет критической при напряжении ниже оТг если
Из (10.4) |
следует |
К \ с > • О т V Л С . |
|
|
|
(10.4) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(10.5) |
Разделив |
и умножив правую часть (10.5) на |
2 |
с |
учетом, что |
|||
R MCr |
|||||||
Лмс/от = |
К в, получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 10.6) |
Для |
типичных |
значений |
К\с = |
60,5 |
МН |
м~s/*; R Mс = |
|
= 100 даН/мм2, от = |
50 даН/мм2, К в = |
2 из |
(10.6) размер безопас |
||||
ной трещины скр « 5 мм. Для этой же стали (Кв = |
2) |
безопасным |
|||||
будет мелкий дефект с /тах ^ 2. |
Таким образом, по усталостным тре |
щинам размером менее 5 мм трещиностойкость данного материала будет обеспечена. Но если в стали окажется шлаковое включение раз мером около 1 мм, с относительной остротой tip ж 200, /тах « 2,2 (рис.
9.1), то хрупкий микроскол при нагрузке ниже аТ будет неизбежен (/max > К в) и тем самым данный материал обнаружит недостаточную
дефектостойкость. Допустимыми для него окажутся лишь мелкие дефекты с остротой tip меньше 100 (/max <С 2). Сказанное достаточно
ясно демонстрирует различие между свойствами трещино- и дефектостойкости стали.
В последующем в качестве фактора, определяющего надежность стали в изделии, будем рассматривать лишь дефектостойкость.
§ 10.2. Оптимизация запаса прочности деталей машин и сооружений
В предыдущем параграфе при рассмотрении влияния запаса вяз кости на надежность стальных изделий обнаружилось, что к этой проблеме примыкает вопрос о применяемых запасах прочности и до пускаемых напряжениях в проектируемых изделиях. Как известно, действительным коэффициентом запаса прочности конструкции Ка
называется отношение предельных (опасных) напряжений апр к ре ально действующим в конструкции напряжениям а [120]:
В качестве предельных напряжений чаще всего принимают предел те кучести (для пластичных материалов) или предел прочности (для хрупких материалов), но в специальных условиях нагружения могут также использоваться предел выносливости предел длительной проч ности и др.
215
На этапе проектирования конструктор пользуется расчетным ко эффициентом запаса прочности
где [а] — допускаемое напряжение.
Если действительные напряжения в изделии сг близки к расчет ному допускаемому [сг], то К р « К а. Поэтому выбор допускаемых
напряжений является весьма важным и ответственным шагом в про цедуре расчета прочности. Сложность этого шага связана с тем, чте расчетный коэффициент запаса прочности К р представляет собой
многофакторную величину, характеризующую степень отличия ре альной ситуации от расчетной схемы. Эти различия могут возникать из-за несоответствия расчетных действительным исходным данным о силовых и температурных факторах, об уровне механических свойств; из-за разброса этих свойств, наличия необнаруженных дефектов, воз можных случайных перегрузок и т. п. В связи с тем что традицион ный метод выбора допустимых напряжений в соответствии с ведом ственными или заводскими нормативными документами не отражает всего многообразия условий работы детали и свойств материала, раз работан дифференциальный метод определения коэффициента запаса [120]. Расчетный коэффициент запаса определяется как произведе ние отдельных коэффициентов, учитывающих особенности каждого из упомянутых факторов влияния:
я р = а д д 3 |
к п. |
(Ю.7) |
Однако обоснованное назначение |
частных коэффициентов |
запаса |
представляет собой самостоятельную непростую задачу. По такому фактору, как разброс свойств материала, частный коэффициент К р,0
может быть определен на основе статистически надежно установлен
ного предела разброса свойств (например, |
К рл « 1,1), |
по фактору |
|
случайных перегрузок Кс.п требуется знание возможных |
экстре |
||
мальных условий нагружения (например, |
К с.п « 1 ,3 ) |
и т. |
д. Но- |
среди частных коэффициентов должен быть такой, который учитывает степень опасности, создаваемой присутствием в изделии дефекта,; случайно пропущенного при контроле или выходящего за пределы разрешающих возможностей принятого метода дефектоскопическогоконтроля К д.
Отсюда вытекает, требуемое значение К а по теоретическому ко
эффициенту концентрации напряжений выбрать невозможно. Исходя из критериев механики разрушения сделать это с достаточной точ ностью удается не всегда, поскольку в реальных изделиях нередко оказывается невыполненным условие плоской деформации, которое обязательно должно соблюдаться при определении критического зна чения коэффициента интенсивности напряжений К\0. В этом случае
а также при наличии в реальном изделии дефектов, обладающих меньшей остротой, чем усталостно-наведенная трещина, заложенный коэффициент запаса может оказаться излишне большим. Обоснован ное назначение этого коэффициента можно осуществить на основе
216
физических предпосылок, связанных с учетом влияния дефекта па инициирование микроскола, как причины понижения несущей спо собности изделия.
Для этого необходимо исходить из той или иной вероятности присутствия в материале мелкого дефекта определенной степени ост роты. Для дефекта малых размеров длиной порядка 1 мм трудно ожидать предельно высокого значения остроты радиуса закругления (менее 1 мкм), которому соответствовал бы максимально возможный уровень жесткости / « 2,5—2,6 (рис. 9.1). Наиболее типичные внут ренние концентраторы, характерные для металла сварных соедине ний, обладают ЖНС в пределах 1,4—1,7, в редких случаях до / » 2 (табл. 9.1 по [58]). Хотя корректно рассчитать несущую способность образца с мелким острым дефектом невозможно, все же несложно оценить пределы ее изменения. На этом основании можно построить гипотетическую линию понижения несущей способности для мате риала с дефектом заданной степени остроты (рис. 10.2). Допустим, что в реальных изделиях практически невозможно иметь дефект с остротой более tip = 50, что отвечает Kt « 7. Критическая жест кость для такого дефекта согласно рис. 9.1 составляет jKp т 1,9. По
этому можно на гипотетической кривой несущей способности матери
ала с таким дефектом нанести точку А начала уменьшения Ов/ат при. К в — 1,9 (кривая 2). Вторая крайняя точка на этой кривой тоже из вестна: при К в = 1 потеря прочности изделия с таким дефектом опре
деляется Kt = 7, т. е. в точке Б ов1от = 0,14. Все промежуточные
точки данной кривой можно приближенно нанести по плавной линии. А Б соответственно ходу экспериментальной кривой 1 для кольцево
го надреза. Такая операция вполне допустима, поэтому область ни же кривой А Б можно в первом приближении считать безопасной для
соответствующих сталей, содержащих дефекты указанной степени остроты.
Рис. 10.3. Связь коэффициентов вязкости К в и К ве mln для малоуглеродистой отожженной стали.
Рис. 10.4. Зависимость частного коэффициента запаса прочности /Гд, учи тывающего возможность присутствия в стали дефектов с параметром /тах ^ 1,9, от запаса вязкости стали:
1 — по условию хрупкого микроскола Кв = jmax; г — по условию вязкого микроскола
^ве mln = 4пах*
2 1 7
Сказанным подразумевают, что микроскол в районе дефекта реали зуется на границе упруго-пластической зоны, когда выполняется условие /щах = Я в (рис. 10.1, точки 1 и Г). Однако внутри плас
тически деформированной зоны из-за деформационного понижения коэффициента вязкости Яве (рис. 7.7) условие вязкого микроско
па / шах = |
& веmin может оказаться выполненным даже в случае, ког |
да /щах < |
Яв (рис. 10.1, точки 2 и 2'). Поэтому правильнее было бы |
предельную кривую А Б на рис. 10.2 проводить по значениям пара
метра Я ве min- Учитывая, что Яв и Яве min взаимосвязаны (рис. 10.3), можно перестроить точки кривой 2 в новую кривую 3 (рис.
10.2), ниже которой в заштрихованной области располагается зона без,опасных нагружений материала с данным дефектом. Ход кривой 3
диктует закономерность, которой следует руководствоваться при вы боре частного коэффициента запаса прочности Я д, ответственного за гарантирование безопасности по фактору механической дефектности
материала (рис. 10.4). Например, при Яв = 2 коэффициент |
Яд « 2, |
но при Я в = 2,2 Яд « 1,5, а при Яв = 2,5ЯД достигает |
предела, |
равного 1. В то же время, если на рис. 10.2 представить кривую из менения допускаемых напряжений, назначаемых при проектировании транспортирующих трубопроводов высокого, давления из условия
[а] = ав, то вследствие уменьшения ав/ат для сталей с понижен
ной вязкостью (рис. 10.2, кривая 4) действующие номинальные на пряжения для маловязких сталей (область левее т. В на кривой 5)
будут опасными, если в материале случайно окажутся дефекты с жесткостью /тах ^ 1,9. И наоборот, для высокопластичных сталей (область правее т. В) применяемый запас прочности оказывается за
вышенным.
Как видим,, по фактору дефектности материала частный коэффи циент запаса прочности Яд может быть выбран в зависимости от за паса вязкости стали, определяемой коэффициентом Яв в заданной степени остроты дефекта. Конструктору на этапе проектировочного расчета необходимо лишь задаться предельным допустимым значе нием теоретической концентрации напряжения [Я«], полагая, что дефектов с К\ > [Я/] в изделии быть не может либо вероятность его
появления не выше допускаемой вероятности отказа изделия по при нятым нормам его надежности. Исходя из Я/ и соответствующего графика на рис. 10.2 или 10.4 для материала с заданным Яв опреде ляется нужный коэффициент запаса Яд. В предельном случае для ма териала с запасом вязкости Я в ^ 2,5 этот частный коэффициент за паса прочности оказывается равным единице: Ял = 1. Полный ко эффициент запаса прочности изделия Яр может рассчитываться по (10.7) с учетом остальных факторов несоответствия: разброса меха нических свойств, случайных перегрузок и т. п.
В большинстве случаев, когда вероятность непредвиденных пере грузок весьма мала, а разброс свойств не превышает 10 %, общий коэффициент запаса прочности для изделия из стали, имеющей Я в » 2,5, может быть снижен до уровня Яп = 1,2—1,3 без ущерба для надежности изделияг что может дать весьма ощутимую экономию
218
металла. На этом основании коэффициент запаса прочности трубо
проводов, рассматривавшихся в § 10.1, |
можно понизить на 15— |
|
20 |
% без уменьшения надежности, если использовать сталь с К в ^ |
|
> |
2,5. |
вязкости стали позволяет |
|
Итак, использование характеристики |
вскрыть резервы как в повышении надежности силовых элементов конструкций, так и в научно обоснованном снижении излишне боль ших запасов прочности, что представляет собой актуальную народ нохозяйственную задачу. Ясное понимание этих возможностей воз никло вследствие установления физической природы параметра К в,
его связи с процессами зарождения и развития разрушения на мик роуровне и прямого влияния на несущую способность изделия с де фектом. В этом уникальность Кв как физической характеристики
вязкости металла, отличающей ее от других известных показателей пластичности и вязкости. Опираясь на традиционные показатели этих свойств (б, ф, ан, Кю и др.), подобный анализ рассматриваемого во
проса осуществить было бы невозможно.
Таким образом, можно сказать, что у современного конструктора наряду с коэффициентом запаса прочности Кп появляется новый ра счетный параметр — коэффициент вязкости К в, от которого весьма
сильно зависит надежность нагруженной системы. Введение этого параметра в расчетную практику позволяет ставить вопрос об опти мизации некоторых частных коэффициентов запаса прочности на ос нове количественного анализа сопротивляемости материала воздей ствию скрытых дефектов металла, служащих очагами зарождения микроскола и нередко приводящих к преждевременному хрупкому разрушению стальных изделий.
§10.3. Критерий микроскола
имеханические теории прочности
Физическая суть критерия микроскола представляет собой фор мулировку условий предельной сопротивляемости нагружению мате риала при данном виде напряженного состояния. Отметим, что в на стоящей монографии под материалом подразумеваются только ме таллические конструкционные материалы в виде углеродистых или легированных сталей на ферритной основе. В качестве меры предель ной сопротивляемости материала пластическому деформированию микроскол приобретает свойства своеобразного физического крите рия прочности, способного выполнять те же функции, которые тра диционно присущи механическим теориям прочности, являющимся научной основой инженерной практики расчета металлических изде лий, машин и сооружений на прочность. Естественно возникают во просы о месте микроскола среди известных критериев прочности, в чем состоят его особенности и какие новые возможности вытекают из него, если рассматривать условие микроскола как критерий проч ности материала в изделии. Расчет проектируемого изделия на проч ность содержит три основных момента:
219
1.Нахождение номинальных (средних) напряжений в нагружен ных элементах изделия, исходя из величин и характера распределе ния силовых нагрузок. Определение наиболее напряженного элемен та изделия.
2.Определение вида наиболее опасного напряжения, исходя из особенностей напряженного состояния. При этом осуществляется
выбор так называемого эквивалентного напряжения аЗКв, которое в состоянии предельного сопротивления нагружению материала ока зывается равным известному показателю прочности данного матери ала (ат или (тв), полученному экспериментально по одноосному рас тяжению. В сущности этот этап расчета представляет собой выбор так называемой расчетной теории прочности.
3. Выбор материала, отвечающего по уровню своих механических свойств (сгт или ав) расчетному значению аэкв.
В классической схеме расчета между вторым и третьим этапами имеется некоторая внутренняя противоречивость. Эквивалентными напряжениями обычно бывают: по первой теории прочности — аЭКв = = alt где ог— наибольшее растягивающее напряжение; по третьей
теории — т аКв = ттах, |
где |
ттах = V2 (о^ — а3) — наибольшее |
ка |
сательное напряжение; |
по |
четвертой — тЭКв = токт = (У 2/з) |
гДе |
т0КТ — октаэдрическое касательное напряжение, Oi — интенсивность
напряжений. Выбор подходящего эквивалентного напряжения дик туется свойствами применяемого материала:
для хрупких металлов следует выбирать первую теорию проч
ности: |
стт, |
(10.8) |
CTj = |
||
или |
|
|
tfi = |
ств; |
(10.8') |
для пластичных металлов — третью (критерий текучести |
Кулона): |
|
2тщах = |
а3 = о^т |
(10.9) |
или четвертую (критерий текучести Мизеса): |
|
|
(Л = |
<7Т. |
(10.10) |
Нужное значение ог9кв выбирается на основании того, хрупким или пластичным был материал при одноосном растяжении, а в изделии ему, возможно, предстоит работать в ином — более мягком или более жестком — напряженном состоянии, при котором данный материал может перейти либо из хрупкого состояния в пластичное, либо нао борот. Например, в расчете на пластичное поведение металла его предельное состояние определяли по условию текучести (10.9) или (10.10), а при работе в элементе изделия, находящегося в ЖНС, ка сательные напряжения могут быть настолько понижены, а нормаль ные повышены, что достигнет предельного значения по (10.8) раньше, чем начнется текучесть. Следовательно, сделанный выбор аЭКв окажется неоправданным для данного материала, но выявить это несоответствие в рамках классических критериев прочности не возможно. Выход из такого противоречия предложил Г В Ужик [57], введя в рассмотрение особую механическую характеристику
2 2 0