05 июня 2017г.
Исследуемая кинетическая теория прочности рассматривает разрушения деталей машин как постепенно накапливаемое повреждение в которой решающую роль играют тепловые флуктации.
Кроме представления о существовании некоторого критического, порогового значения прочности, после достижения которого наступает мгновенное разрушение материала, существует другой подход к трактовке явления прочности, который исходит из того, что разрушение представляется процессом, неравновесным и в большинстве случаев нестационарным, это – кинетический подход.
Анализ температурно-временной зависимости прочности как кинетического процесса позволил сформулировать целый ряд новых критериев и теорий прочности[1].
В практике эксплуатации жаропрочных сплавов при высоких температурах и полимеров при умеренных температурах столкнулись с явлением статической усталости.
Было обнаружено, что при статическом нагружении образца вне зависимости от величины действующего напряжения происходит его разрушение и тем быстрее, чем выше его величина. Явление статической усталости оказалось универсальным, т.е. присущим всем твердым телам технологических машин и оборудования[2].
Разрушение в этом случае представляет собой необратимый кинетический процесс накопления внутренней повреждаемости материала, ускоряемый температурой.
Становится очевидной ярко выраженная зависимость прочности от продолжительности испытаний и режима нагружения.
Для объяснения явления статической усталости предложен ряд теорий и критериев прочности, основанных на концепции накопления повреждений в объеме материала и учитывающих изменение во времени напряженного состояния в теле.
Введение понятия «накопление повреждений» относится к двадцатым годам XX в., когда оно было предложено Палмгреном. В дальнейшем этот подход получил развитие в исследованиях Майнера, Бейли, Робенсона.
Для произвольных процессов нагружения во времени при простейших напряженных состояниях получил распространение критерий суммирования повреждений Бейли [1,3], дающий для времени разрушения t уравнение:
где: t(s) – долговечность при напряжении s.
Исследования длительной прочности в процессе ползучести при постоянном растягивающем напряжении показали, что кинетика процесса разрушения следует обычной зависимости кинетических процессов, т.е. зависимости Аррениуса, полученный им при исследовании инверсии сахарозы:
Где :tR – время, прошедшее от момента приложения постоянного растягивающего напряжения s до момента разрушения;
Т – абсолютная температура;
а,b – коэффициенты, характеризующие свойства исследуемого материала.
Результаты исследования зависимости долговечности от температуры дали Буссе основание предполагать, что статическое усталостное разрушение имеет активную природу.
Им предложена температурная зависимость долговечности:
где: Т – абсолютная температура;
R – газовая постоянная;
U – энергия активации разрушения;
В – опытная постоянная, зависящая от напряжения.
Исследования процессов разрушения твердых тел проводились С.Н.Журковым.
Кинетическая теория прочности, развиваемая ими, рассматривает разрушение как процесс постепенного накопления нарушений сплошности (повреждаемости), решающую роль в котором играют тепловые флуктации. Этот процесс начинается с момента приложения к телу нагрузки и идет практически при любом уровне нагружения. Понятие предела прочности, при таком подходе теряет свой физический смысл[2,4].
Фундаментальной величиной, характеризующей интегральную скорость разрушения при данной нагрузке и температуре, становится долговечность – время от момента приложения нагрузки до разрушения деталей.
Формула С.Н.Журкова имеет вид:
где: s – напряжение, полагаемое постоянным;
К – постоянная Больцмана;
U0 – энергия активации разрушения в отсутствие напряжения.
Величина υ меняется от материала к материалу.
Однако для каждого материала она является своего рода физической константой, не зависящей от состояния материала.
Параметр t0 оказался независящим от природы материала, величина его имеет порядок 10-12…10-13 с, это время соответствует примерно периоду тепловых колебаний атомов в твердом теле[5].
Согласно кинетической концепции параметр n служит показателем локальных напряжений, которые возникают на фоне средних напряжений, приложенных к телу. Чем меньше n, тем больше реальная прочность. Для каждого материала величина n является функцией его состояния, которая задается механической и термической обработкой, введением примесей, кристаллографической ориентацией, а также другими факторами, влияющими на прочность. Поэтому n является структурно-чувствительной величиной. Таким образом, в формуле С.Н.Журкова (1) все параметры являются физическими величинами за исключением параметра n, который практически определяется опытами на длительную прочность.
Логарифмируя (1), получаем, что при T = const должна наблюдаться линейная зависимость lgt от s, а при s = const – линейная зависимость между lg t и I/T.
Проведенные исследования, позволили фактически обнаружить и оценить процессы разрушения в различных материалах, проходящие задолго до окончательного разрушения. К ним относятся наблюдения окустического излучения при нагружении твердых тел, исследование субмикротрещин, изменение механических свойств материалов в процессе усталости. Это позволило выдвинуть ряд новых теорий и критериев прочности, основанных на концепции накопления повреждений[6].
За меру разрушения в этих критериях обычно принимают некоторый параметр «П», который в процессе разрушения меняется в определенных пределах. Критическая величина этого параметра в некоторой точке считается критерием разрушения в рассматриваемой точке. Параметр «П» может иметь конкретный физический смысл.
Критерий Л.М.Качанова [7] исходит из предположения, что хрупкий разрыв есть конечный результат развития дефектов материала под действием нагрузок.
По этому критерию время чисто хрупкого разрушения
где: А и n – некоторые постоянные;
s0 = smax – истинное максимальное растягивающее напряжение в данной точке.
Критерий, предложенный Л.М.Качановым был обобщен Ю.Н. Работновым [8].
Центральная идея критерия Ю.Н.Работнова состоит в том, что выделяются два основных типа разрушения – вязкое и хрупкое.
Выводы
Но, как показывают проведенные исследования в реальных условиях эксплуатации машин, в материалах деталей, эти типы разрушения могут осуществляться в чистом виде, а могут и взаимодействовать между собой, давая картину смешанного разрушения. Это требует отдельных глубоких фундаментальных исследований основ кинетического подхода к теории кинетики разрушения.
Список литературы
1. Орлов Б.Н.,Бондарева Г.И. Визуализация, моделирования, надежность в эксплуатации мобильных строительно-дорожных комплексов. Известия Самарской государственной академии. 2012, №3.
2. Busse W.F. Fatigue of fabrics. “J. Apple. Phys”. 13, 11, 715, 1942.
3. Орлов Б.Н. Прогнозирование долговечности рабочих органов мелиоративных почвообрабатывающих миашин. Диссертация.–2004
4. Бондарева Г.И., Орлов Б.Н. Графоаналитические исследования полтока отказов машин и оборудования. «Техника и оборудования для села». 2012, №7.
5. Влияние твердости поверхностного слоя на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин. «Ремонт. Восстановление. Модернизация». 2004. №3.
6. Орлов Б.Н. Физические основы и уровень надежности деталей машин и механизмов. Учебное пособие «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования в водном хозяйстве». – М.: 2008.
7. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. –М.: Наука, 1974.
8. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. –М. : Наука, 1966.
