Отказы при наличии трещин и дефектов в материале конструкции

Большинство материалов деталей современных машин и аппаратов претерпевает значительные воздействия при технологической обработке и изготовлении. Как в самой толщине материала, так и в зонах сварки, спайки образуются раковины, трещины и другие дефекты, которые при воздействии механических эксплуатационных нагрузок начинают расти, и приводят к сокращению срока службы и надежности машин.

Основным показателем технологической дефектности деталей химической аппаратуры является неоднородность интенсивности отказов во времени при испытании достаточно представительной партии (рисунок 1.20).

Рисунок 1.20 – Интенсивность отказов во времени при вибрациях

Существование на начальном этапе стендовых вибрационных испытаний сравнительно высокой интенсивности отказов свидетельствует о наличии скрытых дефектов у некоторой части изделий, которые вызывают их относительно быстрый выход из строя.

Одним из типов дефектов, достаточно тщательно изученным в современной литературе по механике, является трещина. В работах по теории упругости показано, что равномерное напряжение растяжения в материале пластины вызывает при вершине трещины концентрацию напряжения (рисунок 1.21).

Рисунок 1.21 – Концентрация напряжений у вершины трещины в материале (пунктирная линия соответствует расчету по теории упругости)

Такое поле напряжений имеет особенность в вершине трещины и реально существовать не может. Вокруг вершины трещины образуется зона пластических деформаций, которая приводит к тому, что около самой вершины образуется область размером , где напряжения устанавливаются приблизительно возле предела текучести материала .

На рисунке эта зона заштрихована, а фактическая эпюра напряжения изображена пунктиром.

Компоненты тензора напряжений можно записаны в виде:

,

где введена константа (коэффициент интенсивности напряжений). Это единственная величина, которая характеризует напряженное состояние, так как функции неизменны при изменении условий нагружения. Именно эта величина , как подтверждают эксперименты, может быть выбрана в качестве оценки прочности материала с трещиной.

При достижении определенного критического значения (безразлично за счет внешней нагрузки или размера )величины коэффициента интенсивности напряжений , т. е. при больше , трещина становится неустойчивой и растет.

Это критическое значение называется вязкостью разрушения материала и является мерой оценки трещиноватости и трещиностойкости материала. В таблице представлены параметры материала, влияющие на рост отдельных трещин и на несущую способность всей детали, технология изготовления которой сопряжена с появлением каких-то характерных микродефектов.

Материал	Временное сопротивление разрыва , дан/мм2	Предел текучести , дан/мм2	Вязкость разрушения , дан/мм3/2
Сталь
Легированная сталь
Алюминий		51(сплав)