Разрушение. Том 4. Исследование разрушения для инженерных расчетов. 1977

Разрушение. Том 4. Исследование разрушения для инженерных расчетов
Редактор: Гарольд Либовиц; Авторы: P.Л. Барнетт, В.И. Витцель, У.X. Дьюкс, Г. Либовиц, У.X. Мюнзе, Д.Е. Сроули, А.А. Уэллс, П.Ц. Херманн, У.Д. Холл, Н.Р. Эдсит, Ф.М. Энтони
Перевод с английского: Тарасов В.М. под редакцией Шнейдеровича Р.М. и Махутова Н.А.
Машиностроение. Москва. 1977
400 страниц
Fracture. An advanced treatise. Volume IV. Engineering fracture design
Edited by Harold Liebowitz
School of Engineering and Applied Science / The George Washington University, Washington, D.C.
Academic Press, New York and London, 1969
Разрушение. Том 4. Исследование разрушения для инженерных расчетов. 1977
Содержание: 

В книге приведены результаты испытаний на разрушение, методы обработки экспериментальных данных, указано влияние температуры, в том числе криогенной на процессы разрушения, рассмотрена несущая способность сварных соединений, гибких стержней, деталей из хрупких материалов. Книга предназначена для инженеров-конструкторов, расчетчиков и научных работников машиностроительной, судостроительной, строительной и других отраслей промышленности.

Предисловие

Глава 1. У. Дж. Холл. Оценка испытаний на разрушение и подготовки образцов
Глава 2. Джон Е. Сроули. Вязкость разрушения при плоской деформации
Глава 3. В.И. Витцель, И.Р. Эдсит. Влияние температуры на разрушение
Глава 4. Г. Либовиц. Разрушение и несущая способность надрезанных колонн
Глава 5. Ральф Л. Барнетт, Пауль Ц. Херманн. Предварительно напряженные хрупкие конструкции
Глава 6. Уильфред X. Дьюкс, Фрэнк М. Энтони. Проектирование узлов и соединений из хрупких материалов
Глава 7. A.A. Уэллс. Влияние остаточных напряжений на хрупкое разрушение
Глава 8. У.X. Мюнзе. Хрупкие разрушения в сварных соединениях

Список литературы
Предметный указатель
Именной указатель

Предисловие

А.А. Гриффитс получил известность благодаря своему вкладу в теоретические исследования хрупкого разрушения па основе положений механики сплошной среды. В данной книге рассмотрены главным образом вопросы внезапного катастрофического разрушения конструкций, вызванного возникновением хрупких трещин. Две первые работы Гриффитса, опубликованные в начале 1920-х годов, содержали теоретическое обоснование энергетических условий разрушения. В 1926 г. Пирс впервые применил вероятностные методы для исследования прочности волокон, а в 1939 г. Вейбулл использовал эти методы для исследования хрупкого разрушения.

Основываясь на этих основополагающих работах, а также на работах Теодора фон Кармана, многие исследователи изучали различные аспекты хрупкого разрушения; начиная с 1940-х годов, было опубликовано много работ по хрупкому разрушению. Однако большая часть экспериментальных данных по хрупкому разрушению оставалась несистематизированной; не получили детального освещения макро- и микроскопические основы хрупкого разрушения. Поэтому одной из важных задач стало своевременное обобщение наиболее существенных результатов и разработка основ для критической оценки полученных теоретических и экспериментальных данных. Указанные результаты, являющиеся основой для рекомендации по расчету конструкций, должны были стать доступными инженерам, студентам и исследователям в промышленных организациях, учебных и научно-исследовательских институтах. Это и явилось целью данной книги.

Дальнейшее исследование хрупкого разрушения и практическое использование полученных в этой области данных зависят главным образом от успешного объединения механики сплошной среды с базисными положениями о свойствах материалов и теоретическими основами физики, математики и химии. В связи с этим настоящая книга составлена таким образом, чтобы читатель мог получить информацию по указанным вопросам. В книгу включены примеры инженерного применения основных результатов. В иллюстративных целях в тексте широко используется графический материал, даны ссылки на результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также отмечена взаимосвязь микро- и макроскопических характеристик разрушения. В конце каждой главы определены инженерные проблемы в области дальнейших научных исследований.

В книге предпринята попытка осветить различные подходы к проблеме хрупкого разрушения, в частности путем привлечения к её составлению многих выдающихся ученых в области материаловедения и механики.

В данном многотомнике рассмотрены семь основных тем, касающихся разрушения:

1) микро- и макроскопические основы разрушения; 2) математические основы разрушения; 3) инженерные основы разрушения и влияние окружающей среды; 4) инженерное проектирование с учетом разрушения (данный том); 5) расчет конструкций с учетом разрушения; 6) разрушение металлов и 7) разрушение неметаллов и композитов.

Первая глава данного тома написана У. Дж. Холлом и касается анализа испытаний на разрушение. Она начинается с общих требований к испытаниям, и далее перечисляются 11 типов испытаний, обычно используемых для исследования сталей; приведены полученные результаты. В основном описаны испытания, связанные с концепцией переходной температуры. Определены факторы, играющие важную роль при испытаниях и трактовке результатов, а именно: методы сварки, остаточные напряжения, дефекты и средства испытаний. В заключении главы дан краткий обзор методов обработки полученных результатов.

В обзоре Дж. И. Сроули (глава 2) рассмотрена вязкость разрушения при плоской деформации: выведено прежде всего общее положение о вязкости разрушения при плоской деформации Kіc, а затем подробно освещена экспериментальная стандартная методика определения Kіc при изгибе образцов с трещиной в надрезе.

Экспериментальные данные, полученные для высокопрочных сталей, титановых и алюминиевых сплавов, обосновывают применимость стандартной методики определения величины Kіc и подтверждают возможность рассматривать величину Kіc как характеристику сопротивления материала разрушению в условиях достаточно высокой стесненности пластических деформаций. При этом подчеркнуто, что необходимые для определения Kіc размеры образцов возрастают пропорционально квадрату отношения величины Kіc к пределу текучести, и для вязких низкопрочных материалов эти размеры получаются довольно большими. Глава заканчивается рекомендациями по применению стандартной методики испытания для других типов образцов.

В третьей главе дан анализ влияния на разрушение температуры, выполненной В.Е. Витцелем и H.Р. Адситом; они уделяют внимание главным образом испытанию при криогенных температурах, при которых разрушение приобретает выраженный хрупкий характер. Рассмотрены различные способы нагружения и формы образцов для испытания при криогенных температурах. Кроме того, изложены методические особенности проведения температурных испытаний. Представлены характеристики прочности и вязкости различных сплавов, испытанных при криогенных температурах. Рассмотрено поведение некоторых нержавеющих сталей (из 300 серий) в широком диапазоне температур (от 550 до — 200° С) и некоторых алюминиевых и титановых сплавов при криогенных температурах.

Обзор исследований, выполненных главным образом Г. Либовицем, В. Д. Клаусом, Д.В. Харрисом, Р.Дж. Санфордом и X. Вандервсльтом на основе анализа разрушения и несущей способности длинных гибких стержней, сделан в четвертой главе Г. Либовицем. Эти исследования касаются поведения надрезанных и гладких стержней при действии осевой и асимметричной сжимающей нагрузок. Влияние трещин с различными глубиной и радиусом закругления в вершине определено по максимальной несущей способности длинных и коротких стержней с одно- и двусторонним надрезами.

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что максимальная несущая способность эксцентрично нагруженных стержней, имеющих гибкость менее 250, значительно уменьшается, в частности, когда стержни имеют усталостные трещины или надрезы с радиусом в вершине <0,075 мм. Исследованы различные критерии разрушения под действием одновременно прикладываемых сжимающих и изгибающих нагрузок. Для анализа полученных данных использованы четыре метода. Полученные результаты для алюминиевых стержней свидетельствуют о том, что энергия, необходимая для инициирования трещины, может быть приближенно представлена в виде функции длины трещины. При этом коэффициенты интенсивности напряжения, вычисленные для предельного случая (р = 0) выражения Нейбера (1937 г.) для максимальных напряжений, и соответствующие значения номинальных напряжений использованы при анализе вязкости разрушения.

Предварительная напряженность монолитных и состоящих из отдельных частей элементов из хрупких материалов повлекла за собой возникновение особых проблем, таких, как нелинейное и статистическое поведение и поперечное растрескивание при осевом сжатии. Эти проблемы исследованы Р.Л. Барнеттом и П.С. Германом в пятой главе применительно к балкам, стержням и плитам. Предложено экспериментальное подтверждение теорий, используемых при исследовании прочности и жесткости таких элементов. В эту главу включены многие примеры с целью описания особенностей поведения предварительно напряженных конструкций.

В шестой главе В.X. Дьюкс и Ф.М. Антони приводят результаты исследования различных соединений и креплений для элементов конструкций, изготовленных из неметаллических огнеупорных материалов. Для таких материалов характерна склонность к хрупким разрушениям, и оптимальный расчет прочности соединения из материалов этого класса отличается от общепринятой методики расчета металлических материалов. Показано, что хрупкие материалы чувствительны к концентрации напряжений, что делает необходимым уточненное определение напряженного состояния в конструкциях.

Для рассмотренных материалов отмечено непостоянство механических свойств даже идентичных образцов. Это требует определения статистических характеристик прочности, когда уровень действующих напряжений оказывается связанным с вероятностью разрушения. Подчеркивается, что особое внимание при этом должно быть уделено определению напряжений, которые вызываются внешним стеснением и деформацией опорных узлов. При проектировании конструкций из хрупких материалов расчетом должны устанавливаться не обычные коэффициенты запаса прочности, а соответствующие вероятности разрушения с учетом видов разрушения, особенно при сложном напряженном состоянии. Кроме того, в данном случае проектировщик должен уделять особое внимание стадии изготовления материала и дефектоскопическому контролю. В этой главе рассмотрены методы соединения элементов и указаны потенциальные возможности применения огнеупорных неметаллических материалов, главным образом в условиях высоких температур в сложных космических аппаратах; описаны специфические методы соединения для различных конструктивных и эксплуатационных случаев. Дан обзор проблем расчета, связанных с каждым из этих методов; показано, что они, как правило, сводятся к ограничению стесненности деформаций (порождающей дополнительные неизвестные нагрузки) и тщательному определению зон максимальных напряжений. В этой главе представлены также специальные методы анализа; приведен анализ вероятности разрушения для деталей из хрупких материалов. Подчеркнуто, что при анализе напряженного состояния в элементах сложной формы необходимо использовать метод конечных элементов с применением ЭВМ. Поэтому для анализа напряженного состояния предложен метод концентрации напряжений, включающий графические и аналитические зависимости для коэффициентов концентрации. В заключении главы приведены соответствующие многочисленные экспериментальные данные.

В седьмой главе А. А. Уэллс анализирует влияние остаточных напряжений на сопротивление хрупкому разрушению и отмечает, что суммирование напряжений от приложенных нагрузок и остаточных напряжений зависит от геометрической формы тела и распределения этих напряжений, определяя характеристики разрушения в каждом отдельном случае. В этой главе описаны особенности остаточных напряжений, возникающих в болтах, заклёпках, сварных соединениях, местах горячепрессовой посадки, а также в элементах конструкций. Условия образования остаточных напряжений в сварных соединениях описаны полуколичественным методом с отражением роли температуры и местной текучести. Влияние остаточных напряжений на хрупкое разрушение в случаях катастрофического разрушения конструкции рассмотрено с точки зрения наличия исходных дефектов и последующего их развития.

Приведены результаты испытаний, характеризующих влияние па прочность снятия остаточных напряжений термообработкой в зоне сварных швов. Кроме того, показано, что местные повреждения вблизи зон макротекучести вследствие термической деформации, так же как и остаточные напряжения, способствуют возникновению внезапных разрушений при низком уровне номинальных напряжений от внешних нагрузок. Основы линейной механики разрушения использованы для исследования распространения и остановки трещин. Проведено количественное сопоставление влияния на разрушение приложенных и остаточных напряжений. Определен металлургический характер местного охрупчивания в местах сварки и дан анализ его влияния на вязкость разрушения. Показано, что критические условия разрушения зависят от соотношения вязкости в поврежденных и неповрежденных зонах. Описаны оптимальные условия снятия остаточных напряжений механическим нагружением и местной термической обработкой.

В восьмой главе В.X. Мюнзе проводит анализ хрупкого разрушения в сварных соединениях и подчеркивает, что внедрение сварки позволило произвести целый ряд усовершенствований в процессе изготовления металлических конструкций, однако оно способствовало увеличению числа случаев хрупкого разрушения последних. В связи с этим в главе рассмотрены, главным образом, проблемы разрушения при низком уровне напряжений и условия, необходимые для подобных разрушений. Отмечается, что при хрупких разрушениях сварных соединений качество сварного шва, остаточные напряжения и характеристики сварного шва являются важными факторами, требующими детального изучения. Кроме того, следует учитывать различные виды охрупчивания сварного шва, зоны сплавления, зоны термического влияния и основного металла. На этой основе обсуждены вопросы предотвращения хрупких разрушений.

Г. Либовиц

поддержать Totalarch

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер (Комментарий появится на сайте после проверки модератором)