В книге изложены методы предотвращения хрупкого разрушения машиностроительных конструкций: вращающихся деталей энергетического оборудования, трубопроводов высокого давления, крупных стальных конструкции, артиллерийских орудий, судов, самолетных конструкций. Рассмотрены основные направления решения данной проблемы, выбора материалов и учета различных факторов, влияющих на прочность инженерных конструкций. Книга предназначена для инженеров-конструкторов, расчетчиков и научных работников машиностроительной, судостроительной, строительной и других отраслей промышленности.

Предисловие

Глава 1. Джозеф И. Блюм. Хрупкое разрушение и его предотвращение
Глава 2. С. Юкава, Д.П. Тимо, А. Рубио. К расчету на хрупкую прочность вращающихся деталей машин
Глава 3. А.Р. Даффи, Дж. М. Мак Клур, Р. Дж. Айбер, У.А. Мэкси. Практические примеры расчета на сопротивление хрупкому разрушению трубопроводов под давлением
Глава 4. Р.У. Николс, А. Коуэн. Выбор материала и вопросы проектирования крупных стальных конструкций с учетом сопротивления материала хрупкому разрушению
Глава 5. Хиро Адачи. Методы проектирования артиллерийского оружия, устойчивого против хрупкого разрушения
Глава 6. Дж. Муррей Бойд. Практические примеры проектирования конструкций судов с учетом сопротивления хрупкому разрушению
Глава 7. П. Кун. Расчет летательных аппаратов на хрупкую прочность

Предметный указатель
Именной указатель

Предисловие

В пятом томе «Разрушения», как и в других томах этого руководства, рассматривается в основном внезапное разрушение конструкций, возникающее в результате распространения трещины в материале. Основная заслуга в разработке теоретических основ хрупкого разрушения с точки зрения механики сплошной среды принадлежит А.А. Гриффитсу, который в двух работах, опубликованных в начале 20-х годов, предложил объяснение явления хрупкого разрушения на основе анализа энергии, требуемой для распространения трещины. В 1926 г. Пэйрс впервые применил методы теории вероятности при исследовании прочности волокон, а Вейбулл в 1939 г. первым использовал эти статистические методы для изучения явлений хрупкого разрушения.

Основываясь на разработках первых исследователей, а также на работах Кармана, многие ученые начали изучать различные аспекты хрупкого разрушения. В результате этого был получен большой объем информации. Однако большая часть данных по исследованию хрупкого разрушения до сих пор не была систематизирована, а исследования были недостаточно глубокими.

При таком обилии опубликованных результатов исследований и большом числе проводимых работ, по-видимому, наступило время для обобщения накопленной информации и критической оценки различных теорий и экспериментальных данных в этой области науки и смежных с ней.

Результаты исследований должны стать достоянием инженеров, исследователей промышленных предприятий, учебных и научно- исследовательских институтов, а также руководителей различных ведомств. Именно в этом и заключается цель данной книги.

Будущий прогресс в понимании явлений хрупкого разрушения зависит от успешного объединения усилий ученых в области механики сплошной среды, в металловедении, физике, математике и химии. Поскольку немногие исследователи обладают опытом во всех этих областях, материал книги построен таким образом, чтобы читатель мог самостоятельно получить нужную информацию. Большинство глав написано достаточно подробно, в приложениях к ним приведены математические выводы. По возможности расчеты даны на математическом уровне, доступном инженерам-механикам. В книгу включены примеры, показывающие инженерное применение различных теорий. Для иллюстрации материала широко использованы фотографии и графики. В книге даны ссылки на результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также показана связь между микро- и макроскопическим аспектами предмета исследований. Особую важность представляют разделы, помещенные в конце каждой главы, в которых определены научно-технические проблемы, требующие дальнейшего исследования для устранения существующих пробелов в понимании явлений хрупкого разрушения.

В книге сделана попытка объединить «атомистический», дискретный подход к проблеме с теорией сплошной среды. С этой целью в качестве авторов отдельных глав приглашены многие известные ученые. Таким образом, можно надеяться, что в данной книге представлен материал, являющийся в какой-то мере результатом объединенных усилий исследователей различных областей науки.

В семи книгах руководства «Разрушение» рассмотрены следующие основные вопросы: 1) методологические основы микро- и макроскопических исследований хрупкого разрушения; 2) математический анализ хрупкого разрушения; 3) основы инженерного анализа хрупкого разрушения; 4) инженерный расчет на хрупкую прочность; 5) расчет конструкций на хрупкую прочность (данный том); 6) хрупкое разрушение металлов; 7) хрупкое разрушение неметаллических и композиционных материалов.

В первой главе этого тома «Хрупкое разрушение и его предотвращение» Д.И. Блюм показал, что не поддающиеся анализу ошибки при проектировании или выборе материалов могут привести к началу быстрого разрушения. Чтобы избежать катастрофических последствий этого разрушения, в высшей степени необходимо создать условия остановки трещины до того, как произойдет мгновенное разрушение.

Он предлагает два основных подхода: один связан с выбором материалов, второй — с методами проектирования. При первом подходе предполагается создание и использование материалов, которые благодаря своим характеристикам могут обеспечить остановку трещины. При втором подходе предполагается создание методов, посредством которых уровень напряжений. и размеры трещин снижаются за счет изменения формы конструкции. Остановка трещины рассматривается как конечная фаза более общей проблемы распространения трещины. Следовательно, общей фундаментальной предпосылкой является исследование тех аспектов инициирования и распространения трещины, которые впоследствии могут привести к решению проблемы остановки трещины. Блюм рассматривает силовые и энергетические методы применительно к проблеме хрупкого разрушения, затем некоторые динамические факторы и основы оценки различных образцов и возможности их применения для изучения условий остановки трещины.

В книге описан ряд способов остановки трещины. Некоторые из них недостаточно изучены и приведены без обоснований, другие подтверждены результатами, по крайней мере, лабораторных исследований.

В разделе, посвященном вопросам использования материалов, описаны методы контроля чувствительности материала к скорости нагружения; применение биметаллов, обладающих способностью останавливать трещины; процессы, вызывающие возникновение «губ среза» и т. д.

Применение элементов жесткости из материала с высокой вязкостью, привариваемых или приклепываемых к плоским или криволинейным листовым конструкциям, а также контроль остаточных напряжений — это способы остановки трещин, основанные на конструктивных решениях. Применение многослойных конструкций или барьерных швов также может быть эффективным способом остановки трещины, когда другими способами невозможно повысить сопротивление хрупкому разрушению.

Рассмотрены также методы оценки материала по его способности останавливать трещину, и показаны образцы, которые позволяют оценивать их способность регистрировать остановку трещины.

Описана группа образцов небольших размеров, испытываемых при постоянной температуре, в том числе образцы с одним надрезом и консольные балки. Ко второй группе относятся образцы больших размеров с более высокими скоростями распространения трещин. Обычно все образцы предварительно нагружают и подвергают воздействию либо постоянной температуры по всему сечению, либо перепаду температур. Следует отметить образцы «ЭССО» и Робертсона, при испытании которых можно достаточно точно зафиксировать критическую температуру.

Во второй главе Юкава и его коллеги обращаются к экспериментальным и аналитическим исследованиям хрупкого разрушения крупных вращающихся деталей и предлагают методику их расчета. В основу их методики положен учет влияния напряженного и деформированного состояния отдельных участков на поведение материалов с дефектами. Они приходят к выводу, что для полного понимания процесса инициирования и распространения трещин необходимо проводить дальнейшие исследования факторов, влияющих на хрупкое разрушение, и их взаимосвязи.

В третьей главе представлены результаты исследований хрупкого разрушения сосудов и трубопроводов под давлением, полученные А.Р. Даффи, Г.М. Мак Клуром, Р.Ж. Айбером и В.А. Макси. Эти исследователи предложили общий метод проектирования конструкций, обладающих высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Они подчеркивают важность изучения отдельных стадий разрушения. В этой главе показано, что критическое страгивание трещины лучше всего объясняет теория механики разрушения, в то время как распространение трещины зависит от переходной температуры.

В главе также рассмотрены аспекты предварительного нагружения сосудов повышенным давлением, позволяющие благоприятно воздействовать на некоторые дефекты.

Четвертая глава посвящена вопросам выбора материала для крупных стальных конструкций. Авторы этой главы Р. Николс и А. Коуэн отмечают, что все реальные конструкции содержат концентраторы напряжений, создаваемые либо самой конструкцией, либо имеющимися технологическими дефектами. Дефекты могут возникать или увеличиваться в процессе эксплуатации конструкции в результате ползучести или усталости материала. Таким образом, разрушение может произойти под действием напряжений, значение которых ниже допускаемых. Таким образом, важным критерием разрушения является критическое напряжение, при котором в месте концентрации напряжений возникает трещина и затем она распространяется.

Установлено, что это разрушающее напряжение уменьшается с увеличением размеров и опасности дефекта, а также с уменьшением вязкости материала. Хрупкое разрушение стали является особым случаем в связи с тем, что с уменьшением температуры резко уменьшается вязкость разрушения. Сопротивления такому разрушению можно повысить за счет устранения концентраторов напряжений, расположения сварных швов на определенном расстоянии от мест концентрации напряжений, а также за счет получения бездефектных сварных швов. Тем не менее основным способом предотвращения хрупкого разрушения является выбор соответствующих материалов для конструкции. Материал следует выбирать с таким расчетом, чтобы его ударная вязкость, определяемая на образцах с надрезом, могла гарантировать целостность конструкции при допускаемых напряжениях с учетом наличия дефекта максимального размера. Однако в этом случае не может быть однозначного ответа, так как невозможно точно определить максимально возможный размер дефекта. Поэтому для стационарных конструкций существуют различные стандарты, в которых установлены (для различных классов сосудов) соотношения между вероятностью разрушения и стоимостью определения и уменьшения вероятности наличия дефектов, превышающих допустимые размеры.

В пятой главе X. Адачи указывает на многочисленные случаи катастрофического разрушения артиллерийских систем в те периоды времени, когда в условиях непрерывной конкуренции создавалось множество новых систем оружия, но их конструкции были ненадежны. Эта конкуренция и необходимость создания безопасных и оптимальных конструкций привели к разработкам методик проектирования артиллерийского оружия, не только основанных на лучших методах математического и экспериментального исследования напряжений и процесса разрушения, но и использующих метод «проб и ошибок». Поскольку надежность оружия является основным требованием, натурные испытания в реальных полевых условиях рассматриваются в качестве основы современных программ по разработке новых видов оружия.

Наиболее эффективным средством борьбы с хрупкими разрушениями материалов средней прочности долгое время считали повышение их вязкости. Существующие методики проектирования рассчитаны на применение вязких материалов и критериев, пригодных именно для таких материалов (или состояний). Хрупкость материала обычно устранялась путем изменения технологии его изготовления или обработки. Заданная вязкость гарантировалась контрольными испытаниями, например ударными испытаниями по Шарпи, которые позволяют обнаруживать охрупчивание в процессе обработки материала.

Современные тенденции, направленные на использование высокопрочных материалов с целью удовлетворения таким требованиям, как минимальный вес, возможность транспортировки по воздуху и высокая маневренность орудия, привели к появлению более сложных методик расчета и эффективных критериев оценки вязкости материалов.

Конструкторы оружия должны знать особенности разрушения менее вязких материалов и использовать современные методы анализа напряжений и процесса разрушения, чтобы точнее контролировать факторы, влияющие на разрушение. Стандартные требования, предъявляемые к работе конструкции в жестких условиях полевых испытаний, по-прежнему имеют важное значение, хотя стоимость этих испытаний повышается из-за усложнения конструкции оружейных систем. Современные методы проектирования основаны на тщательном предварительном изучении конструкции и лабораторных испытаниях моделей различной степени сложности до начала полевых испытаний прототипа.

Адачи подчеркивает, что современный конструктор использует все знания в области разрушения помимо собственного опыта, связанного с определенным видом оружия. Большинство практических проблем артиллерийского вооружения связаны с такими факторами, как, например, остаточные напряжения, долговечность и упругопластичное поведение материала. Поэтому последние достижения механики линейно-упругого разрушения используются лишь в качестве руководства для предварительного выбора геометрических параметров или изменения конструкции на ранних стадиях проектирования. Испытания на выносливость остаются основным критерием для определения долговечности.

Современные тенденции в проектировании характеризуются широким применением положений механики линейно-упругого разрушения и упругопластического анализа в сочетании с соответствующими эмпирическими критериями разрушения или теориями накопления повреждения. Задача состоит в том, чтобы создать более совершенные методы проектирования для решения проблем разрушения артиллерийского вооружения.

В шестой главе Д.М. Бойд касается истории появления и развития проблемы хрупкого разрушения судов. Он делает обзор проведенных исследований и дает рекомендации по предотвращению хрупкого разрушения, которые легли в основу проектирования судов, включая требования к свойствам стали.

Автор анализирует эмпирические решения, позволяющие значительно снизить количество случаев хрупкого разрушения судов. Однако полного понимания в некоторых вопросах еще не достигнуто. Наиболее важной проблемой, требующей настоятельного решения, является установление критериев оценки подверженности конструкции хрупкому разрушению в процессе эксплуатации. Для этого необходимо определить зависимости между характеристиками поведения конструкции при лабораторных испытаниях и эксплуатации. Кроме того, следует исследовать значение дефектов и некоторых технологических процессов, например снятия остаточных напряжений и гидравлических испытаний.

Том заканчивается главой, написанной П. Куном, в которой он рассматривает опыт эксплуатации летательных аппаратов и делает вывод о том, что необходимо учитывать влияние на прочность трещин, возникающих в процессе эксплуатации. В главе описан метод, который позволяет определить сопротивление материала хрупкому разрушению при наличии в нем трещин и рассчитать простую деталь на хрупкую прочность. Автор указывает пути развития этого метода.

Г. Либовиц