книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

повторно-статических испытаний	Параметры длительных ис­
	пытаний

Разрушающее давле­ ние, МПа

Расчетное напря­ жение в стекле, МПа

в цикле

при раз­ рушении

Число	Давле-	Время	Расчет­		Примечание
		под на­	ное	на­
ЦИКЛОВ	ние на­	грузкой	пряже­
до раз­	груже­	или до	ние	в
руше­	ния,	разру­	стекле,
ния, п	МПа	шения,-	МПа
		ч

	_				_	___	_
—	—	—	—	—	—	—	—
—	—	—	—	—	—	— Герметизация		стыка	ни­
						трошпаклевкой
						Протирка	контактных		по­
						верхностен		вакуумной
—-					—	смазкой	—
	—	—	—	—		—
						Протирка	контактных		по­
						верхностей		вакуумной
						смазкой

—	—	—	—	—	—	—	Исходные дефекты стекло-
							элемента (мелкие сколы
							наружной кромки				опор­
							ной поверхности)
28,4	647	313	2				После	предварительного
							однократного			нагруже­
							ния	оболочки		на	опор­
							ной	поверхности			обра­
							зовались сколы до 0,6 мм
—	—	—	—	—	—	—	Химическое		упрочнение
							торцов стеклоэлементов
—	—	—	—	—	—	—		—
—	—	—	—	—	—	—	Химическое		упрочнение
							торцов стеклоэлементов
31,4	647	345	1				После	предварительного
							однократного			нагруже­
							ния	оболочки		на	опор­
							ной	поверхности			обра­
							зовались сколы до 0,5 мм
33,3	647	367	2	—	—	—		То же
—	—	—	—	—	—	—	Защита торцов стеклоэле­
							ментов		полимерным
							покрытием
—	—	—	—				Комплексное		упрочнение
							и защита торцов стекло­

элементов

повторно-статических испытаний	Параметры длительны х ис­
	пытаний

		Расчетное н а п р я ­
		ж ение	в стекле,
	Разру*		М Па
	таю щ ее
	д а в л е ­	4)	а §
	ние,	3
	МПа
		X	хВ
		X	а>»
		а	с о.

—— —

28,9	647	319
31,9	647	351
33,3	647	367
35,3	647	388
17,2	431	189
21,6	313	237
23,7	313	261
25,5	313	2 8 0
20,1	297	2 2 2
2 1 ,6	297	237
23,5	297	259

*—

Ч и с л о	Д авле-	Время	Р а с ч е т ­		П рим ечание
циклов		под на­	ное	на­
до р а з ­	ние на­	грузкой	п р яж е ­
руш е­	гр у ж е ­	или до	ние	в
ния,	ния,	р азр у ­	стекле,
п	МПа	шения,	М П а

ч

—	—	—
2	—	—
4	—	—
5	—	—
4	—	—
2
7	—	—
6	—	—
6	—	—
8	—	—
3	—	—
6	—	—
	10	100
	2 0	2
	10	100
	2 0	2 2
	10	60
—

—	Комплексное упрочнение
	и защита торцов стек-
	лоэлементов
—	Исходные дефекты стекло-
—	элемента		(сколы торца)
			—
—			—
	Смазка	контактных по­
	верхностей солидолом
	Исходные дефекты стекло-
	элемента		(сколы кромок
	опорной		поверхности
	до 0,6	мм)
—			—
—			—
—			—

—

— —

— —

115 Герметизация стыка ни-

230трошпаклевкой. Сколы торцов стеклоэлементов

иразгерметизация обо­ лочки

115

230 Мелкие сколы торцов стеклоэлементов и раз­ герметизация оболочки 115 Разгерметизация оболоч­

ки

Значительное локальное разрушение опорной по­ верхности стеклоэлемента

То же

Предварительная притир­ ка контактных поверх­ ностей с применением воска

повторно-статических испытаний

	Расчетное	напря­
	жение в стекле,
Разру-	МПа	■	Число
шающее	о		циклов
давле­		■S	до раз­
ние,	4	m Я	руше­
МПа	X	2 Я	ния, п
	5	о-С)
	=1	хВ
	ш	х с.
-	_
—	—	—	—

—

—

—

—

—	_		__
—	—	—	—
—	—	—	—
__	__	-	__
	—-	—	——
18,6	712	225	2
23,0	712	278	6
30,9	712	374	3
35,3	712	427	3
37,5	712	451	4
11,8	356	142	3
16,7	356	202	11
19,1	356	231	3

19,1	356	231	8
23.0	356	278	6
26.0	356	315	2

Параметры длительных			ис­
	пытаний
Давле-	Время	Расчет­		Примечание
	под на­	ное	на­
ние на­	грузкой	пряже­
груже­	или до	ние	в
ния,	разру­	стекле,
МПа	шения, ч|	МПа

_

——

——

——

——

——

——

-

——

——

——

——

——

_
—	_
Исходные дефекты стекло-
элемента (сколы			кромок:
опорной		поверхности
до 0,9 мм)
—	То	ж е
Химическое		упрочнение-
торца	стеклоэлемента.
Части чное		разруш ение
стеклоэлемента,			повре­
ж дения	и	сколы опор­
ной поверхности
—	—

—Химическое упрочнение-

торца	стеклоэлемента
—	—
—	—

Комплексное упрочнение и защита торца стеклоэлемента

Исходные дефекты стекло­

элемента:		вскрытый га­
зовый пузырь и			сколы
на опорной поверхности
Частичное		разруш ение
стеклоэлемента,			повре-
ждения	и	сколы	опор­
ной поверхности
—	—
—
—	—

Исходные дефекты стекло­ элемента (сколы опор­ ной поверхности)

Химическое упрочнение торца стеклоэлемента. Частичное разруш ение стеклоэлемента, круп­ ный скол опорной по­ верхности

—- ——

— Х имическое упрочнение торца стеклоэлемента

			П ар ам етр ы о д н о к р а т ­
	М атер и ал	в ст а вк и	ных к р а т к о в р е м е н ­
				ных	и спы тани й
*	Тип оболочки» схем а			со	Р асч етн о е		на­
					п р я ж е н и е		при
>.	соединения
а			I s		р азр у ш ен и и ,
н
о					М П а
о	к о л ьц а	диска	3	к
*			а	х			в­
о.			>» о>		­
4>			со а		ке		ат
S			а ч
			«0	са	в ст ле	во вс ке
о			а	ч
X

Изм енение

на гр у з к и в цикле»

МП а

62 1—29—1

€3

«4

«5

^поверхностях, так как оно начинается под действием интенсивного повреждения опорной поверхности стеклоэлемента при работе в усло­ виях фрикционного контакта с большим удельным давлением. Н а рис. 51 представлен общий вид некоторых конструкций после испыта­ ния, а также фрагменты опорной поверхности хрупкого элемента с хо­ рошо видимыми повреждениями; трещины свидетельствуют о действии высоких напряжений в стекле. Повреждения, первоначально образовав­ шиеся на внутренней кромке опорной поверхности, постепенно ох­ ватывают всю площадь контактирования. Трещины, возникающ ие на поверхности разъема и обусловливающие вырывы материала, не р аз­ виваются в направлении полюса, а на расстоянии двух-трех толщин выходят на внутреннюю боковую поверхность сегмента. И счерпание несущей способности конструкции происходит после сквозного р аз­ рушения опорной поверхности.

Указанные особенности всецело подтверждены при кратковре­ менных испытаниях полусферического иллюминатора с телесным уг­ лом 0,83я ср, опирающегося на стальное кольцо по конической поверхности с таким же углом при вершине, которое покоится на жест­ ком стальном опорном диске толщиной 45 мм. В данном случае качест­ венной подгонкой элементов без промежуточных прокладок осущ е­ ствлено плотное опирание без начального несоответствия в сопряж ении. Конструкция описанного типа практически показала тот ж е уровень прочности (см. табл. 17); характер накопления повреждений и разру-

повторно-статических испытаний	Параметры длительных ис­
	пытаний

	Расчет» ое напря-
	жение I стекле,
Разру­		МiUa
шающее
давле­	<У	я 5
ние,	Ч	га К
МПа	£	ft53
	Я	a Э
	Я
		а *
	Я	я а

	Число		Время	Расчет­
		Давле­	под на­
				ное	на­
	циклов	ние на­	грузкой	пряже­
	до раз­	груже­	или до	ние	в
	руше­	ния,	разру­
				стекле,
	ния, п	МПа	шения,	МПа
			ч

27,5	356	332	6
—	—	—	—	10	100	119
				20	76	237
—	—	—	—	10	100	119
				20	100	237
				29	32	356
—	—	—	—	10	100	119
				20	100	237
				29	100	356

Примечание

—

Локальное разрушение опорной поверхности стеклоэлемента

—

—

Локальное разрушение опорной поверхности стеклоэлемента

—

—

Значительные сколы (до 3,5 мм) опорной поверх­ ности стеклоэлемента

шение стеклоэлементов соответствовали ранее установленным. Состав­ ные системы, в которых стеклоэлементы имели начальные технологи­ ческие дефекты опорных поверхностей и кромок в виде мелких сколов, вскрытых газовых пузырей, инородных включений, разрушались при

пониженной нагрузке, равной	40,2—79,4 МПа, и напряжениях 486—
932 М Па. П редварительная	притирка контактных поверхностей с

использованием воска, нитрокраски, вакуумной смазки, солидола и другого не позволила получить положительного эффекта! несущая способность стеклоэлемента осталась на прежнем уровне, а в некото­ рых случаях, как, например, при опробовании нитрошпаклевки — ПФ -00-2, зафиксировано понижение разрушающей нагрузки до 11,8 МПа. Применение полимерного защитного покрытия торцов стек-

лоэлементов дало аналогичный	результат! разрушающее давление и
соответствующее ему напряжение	понизились до 29,9 и 329 МПа.
Л окальное упрочнение опорных поверхностей химическим травле­

нием в водном растворе кислот по ранее описанной методике не приве­ ло к ожидаемым результатам и не улучшило соединение! при первичном нагруж ении не зафиксировано повышение прочности стеклоэлемен­ та — разрушающие нагрузки леж али в пределах 66,7—87,3 МПа, им соответствовали напряжения 807— 1021 МПа. Изучение обломков конструкций после испытаний позволило зафиксировать эффект разупрочнения опорной поверхности стеклоэлемента вследствие механического контактного взаимодействия разнородных деталей. Это

ремещение кромки стеклоэлемента через край канавки вызывает смя­ тие металла. Следствие такого явления — низкий уровень разрушаю­ щего давления, который не превышал 33,3------- 35,8 МПа.

Следующим этапом явились испытания при повторно-статическом нагруж ении конструкций. Х арактер роста и спада внешнего давления соответствовал ранее описанным. В ходе испытаний максимальное дав­ ление для различны х оболочек различно, однако во всех эксперимен­ тах форма циклов нагружения одинакова. Основные параметры на­ грузок и результаты испытаний конструкций представлены в табл. 17. Эти данные свидетельствуют об ограниченной работоспособности стек­ лоэлемента с непосредственным опиранием на металл: при нагружениях по различным программам разрушение происходило после 3— 11 цик­ лов при очередном повышении давления до уровня 0,6 максимального, расчетные значения максимальных напряжений находились в пределах 202— 451 М Па. В среднем долговечность всех конструкций составля­ ла 4— 5 циклов; некоторые разруш ались на первом цикле, максималь­ ная долговечность — 11 циклов достигнута в изделиях с минималь­ ными технологическими дефектами. Разрушение всегда происходило в ходе очередного цикла повышения давления при 0,5—0,8 максималь­ ной нагрузки в цикле.

Д л я изученного диапазона нагрузок отмечено, что верхний уровень давления в цикле практически незначительно влиял на долговечность конструкции. Повторяющиеся проскальзывания сегмента существен­

но снижаю т прочность стеклоэлемента вследствие высоких	контакт­
ных напряж ений, вызывающих интенсивное повреждение	опорных

поверхностей и развитие имеющихся там дефектов. Появление микро­ скопических вырывов в стекле определяется низкой контактной проч­ ностью м атериала при работе в условиях фрикционного контакта микрош ероховатых поверхностей и относительно высокого сжимающего удельного давления. Скорость роста микроскопических дефектов, вызывающих формирование и развитие трещины до критического раз­ мера, увеличивается по мере повышения уровня нагружения. При большем уровне напряжений рост трещины происходит в течение двух — четырех циклов; с этим же, по-видимому, связан более высокий уровень разрушающих напряжений в стекле при испытаниях в условиях более высокого давления.

Проведенные опыты позволили отметить определяющую роль предыстории нагруж ения на долговечность конструкции при действии повторно-переменного внешнего давления. Конструкции, подверг­ нутые предварительному однократному нагружению давлением, со­ ставляю щ им 0,9 разрушающего, при последующем повторно-стати­ ческом нагруж ении разруш ались на 1—2 цикле в ходе повышения давления при 0,5—0,8 максимальной нагрузки в цикле. Принимая во внимание то, что максимальная нагрузка в цикле составляла 0,6 сред­ ней кратковременной, а расчетные значения максимальных напряже­ ний в стекле при повторно-статическом нагружении, соответствующие моменту разруш ения, колебались в пределах 313—367 МПа, можно констатировать отрицательную роль предварительного нагружения конструкций с непосредственным стыком стеклоэлемента и металла

до нагрузок, превышающих таковые при циклическом нагруж ении, на долговечность изучаемого соединения.

При создании надежных конструкций с непосредственным стыковым соединением стеклоэлементов и инородных вставок особое значение приобретает контроль качества деталей сборки. Составные системы, в которых стеклоизделия имели ранее отмеченные начальные техноло­ гические дефекты опорных поверхностей и кромок, разруш ались, как правило, на 2—3 цикле при внешних нагрузках, равных 11,8— 28,9 МПа. Нагружение конструкций, в которых элементы тщ ательно притирали по посадочным поверхностям с использованием смазки, не позволило зафиксировать повышения долговечности стеклоэлемента. П римнениее дополнительной механической шлифовки боковых поверхностей тор­

цов стеклоэлементов с целью		снижения их разнотолщ инности			до
11,1— 11,4	мм практически не	дало положительного		эффекта и	не
позволило	обеспечить надежную		работоспособность	узла сты кового
соединения даже при 10-кратных			нагруж ениях.

Испытания систем со стеклоэлементами, подвергнутыми л о к ал ь ­

ному химическому травлению в водном растворе кислот,		позволили
установить ресурс работоспособности малодефектного в		контактной
зоне элемента! разрушение сегмента наступало	на 2— 3	цикле. Н а
основании последнего сделан вывод о том, что	фрикционное повре­

ждение малодефектного стекла, полученного химическим травлением, опасно. Это хорошо согласуется с исследованиями, представленными в работе 1911.

Сопротивление разрушению конструкций при длительном действии статической нагрузки, которая выдерж ивалась постоянной в течении 100-часового периода при ступенчатом повышении давления 10 М Па, свидетельствует об ограниченной долговечности исследуемой системы. Конструкции, как правило, не выдерживали предложенной программы испытаний из-за разрушения опорной поверхности стеклоэлемента на второй-третьей ступени после 176—232 ч непрерывной работы и разгерметизации внутреннего объема на всех трех ступенях нагру­ жения (см. табл. 17).

На основании изложенного следует сделать следующие выводы! составные оболочечные системы с непосредственным опиранием стекла на металл по поверхности разъема могут быть использованы только для однократного кратковременного нагружения внешним гидростати­ ческим давлением порядка 0,2 расчетного значения разруш аю щ его давления для использованных элементов; такое конструктивное реше­ ние разъемного соединения не обеспечивает надежного сопротивления разрушению стеклоэлемента при длительном действии статической нагрузки и работоспособности при повторных нагруж ениях, т. е. оно неприемлемо в указанных условиях эксплуатации; расчет позволяет получить результаты, сопоставимые с экспериментом, и может быть использован при проектировании конструкций подобного типа; рас­ смотренный узел соединения не обеспе ивает герметизации внутренне­ го объема составной системы даж е при первоначальном кратковремен­ ном нагружении.