Особенности воздействия температурных

Внешние воздействия

Нагрузки, действующие в конструкции, возникают вследствие механического взаимодействия ее частей между собой или с другими объектами. В некоторых конструкциях может оказаться существенным также действие физических полей. В одних случаях (гравитационные, инерционные, магнитные и др. поля) оно сводится к объемным силам, в других (температурные, радиационные) – к объемным деформациям.

Возникновение перечисленных выше опасных состояний в значительной мере зависит от характера и интенсивности внешних воздействий, в частности, механической нагрузки, температуры, длительности нагружения.

По характеру нагружения обычно различают следующие случаи.

а) Кратковременное статическое нагружение. В этом случае механическая нагрузка и другие внешние воздействия прикладываются к объекту и снимаются достаточно медленно, настолько, инерционными силами можно пренебречь. Предполагается, что длительность действия нагрузок мала и влияния на прочность рассматриваемого объекта не оказывает.

При кратковременном нагружении возможны все перечисленные выше опасные состояния, исключая вибрацию и те виды поверхностного разрушения, которые возникают лишь при многократных воздействиях.

б) Длительное статическое нагружение. Имеются в виду постоянные или медленно изменяющиеся нагрузки, продолжительность действия которых достаточна для реализации происходящих в материале временных процессов (в частности, для появления заметной деформации ползучести).

Типичными видами опасных состояний в этих условиях являются накопление неупругой деформации (и связанное с ним изменение начальной геометрии объекта), накопление повреждений в материале (образование внутренних пор и других дефектов), приводящее к образованию макротрещин). Соответственно, длительное разрушение, время которого зависит от действующих напряжений и температуры, может быть как вязким (при относительно малых временах), так и хрупким (при относительно больших длительностях), в зависимости от того, какой процесс – накопление деформаций или накопление повреждений – преобладает. Возможны также разрушения смешанного типа.

При длительном нагружении в условиях ползучести происходит перераспределение напряжений в конструкции. В разъемных соединениях релаксация напряжений приводит к ослаблению затяжки болтов и возникновению связанных с этим опасных состояний.

в) Повторно-переменное (в частном случае – циклическое) нагружение. но может быть результатом изменения во времени внешних воздействий (механических нагрузок, температурных полей), изменения положения детали по отношению к нагрузкам (характерно для вращающихся валов), или возбуждения колебаний. Если действующие напряжения находятся в пределах упругости, а долговечность находится в пределах 10⁷ циклов (для сталей и сплавов на основе черных металлов) или выше (для цветных сплавов) могут происходить усталостные разрушения – образование и развитие трещины. Характер разрушения при многоцикловой усталости – практически бездеформационный (остаточные деформации отсутствуют), хотя в микрообъемах следы пластической деформации обнаруживаются.

Если нагружение вызывает повторную неупругую деформацию, охватывающую макрообъемы материала, образование трещины и разрушение происходит при меньших числах циклов (до 10⁴). Такое разрушение называют малоцикловым, в зависимости от преобладающего характера деформации (знакопеременная, односторонняя) оно может быть усталостным, квазистатическим или смешанным.

Как и многоцикловое, малоцикловое усталостное разрушение часто начинается в зонах концентрации напряжений. При этом неупругое деформирование может охватывать лишь небольшие объемы материала, поэтому возникающие дополнительные (связанные с выходом за пределы упругости) перемещения малозаметны.

Если основным воздействием являются переменные тепловые напряжения, малоцикловое разрушение называют термоусталостным,

В определенных условиях повторные нагружения (температурные, механические, те и другие совместно) могут приводить к накоплению односторонней деформации и нарастающему изменению геометрии детали. В тонкостенных конструкциях этот процесс часто характеризуется качественным изменением формы равновесия и прогрессирующим выпучиванием.

г) Ударное или импульсное нагружение. Примером импульсного нагружения является давление взрывной волны: нагрузка действует на конструкцию в течение весьма короткого времени, существенно меньшего, чем период ее свободных колебаний. Ударное нагружение обычно предполагает столкновение рассматриваемой системы с массой, движущейся с некоторой скоростью (процесс ковки, попадание снаряда). Существует аналогичное понятие теплового удара («соударение» с теплом), под которым понимается внезапное изменение температуры – фактически импульсный нагрев или охлаждение.

Если скорость импульсного или ударного нагружения близка к скорости распространения звука в материале объекта, существенным становится волновой характер деформации.

Нагружение с высокими скоростями делает более вероятным хрупкое разрушение.

Возвращаясь к таким весьма актуальным для современной техники типам нагружения как длительное (при повышенных температурах) и повторно-переменное, при которых реализуется неупругая деформация, отметим некоторые особенности, связанные со способом нагружения. При этом удобно рассмотреть крайние случаи.

Так, при нагружении балки (см. рис. 0.1) может контролироваться (задаваться) величина нагрузки, либо перемещение. Соответственно проектируют и испытательные машины: например, для испытаний образцов на чистую ползучесть (s = const) более пригодны машины, работающие по схеме, аналогичной изображенной на рис. 0.1 а). Использование с этой целью машин, отвечающих схеме б), требует для поддержания постоянства напряжений применения специальных автоматических устройств.

Соответственно, при испытании образцов в условиях чистой релаксации (e = const) преимущество за машинами, реализующими схему б).

Первый способ нагружения обычно называют силовым (задается нагрузка или напряжение), второй – кинематическим (задается перемещение или деформация).

При силовом нагружении в условиях ползучести с течением времени может произойти разрушение (вязкое при относительно высоком уровне напряжений, хрупкое – при низком); при тех же температуре и начальном напряжении в условиях кинематического нагружения вследствие постепенного падения напряжений разрушение не произойдет.

Циклическое неупругое нагружение при контролируемых экстремальных напряжениях называют «мягким», а при контролируемых экстремальных деформациях – «жестким»; по сути это те же силовое и кинематическое нагружения. В первом случае возможно накопление деформации с каждым циклом (циклическая ползучесть) и разрушение – усталостное, квазистатическое или смешанного типа. Во втором – односторонний рост деформации исключен, возможно изменение среднего напряжения цикла (циклическая релаксация). Разрушение – чисто усталостное, практически бездеформационное.

Особенности воздействия температурных