книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

Сказанное выше делает необходимым при изложении проблемы сопротивления материалов деформированию и разрушению рассмотреть типичные условия нагру­ жения деталей различных машин и сооружений и характерные для этих условий раз­ рушения. Основное внимание в книге при таком рассмотрении уделяется металли­ ческим, в том числе крупногабаритным конструкциям— авиационной и космической технике, газотурбинным двигателям, энергетическому оборудованию и деталям общемашиностроительного назначения. Этот перечень не исчерпывает всего много­ образия машин и сооружений, используемых в технике, однако этот набор доста­ точно представлен как по условиям нагружения деталей материалам, используемым для изготовления этих деталей, так и по процессам, развивающимся в материалах при эксплуатации и приводящим к их разрушению.

Следует учитывать, что цель этой главы — не исчерпывающий анализ напряжен­ ности конкретных деталей и возможных их разрушений, а рассмотрение общих за­ кономерностей, присущих этим видам изделий.

3.1. Металлические конструкции

Металлические, в значительной степени сварные конструкции, по­ лучили широкое распространение в технике. К таким можно отнести железнодорож­ ные и другие мосты, строительные, в том числе подкрановые конструкции, резерву­ ары, трубопроводы, корпуса судов и др. Все эти конструкции имеют свою специфи­ ку в нагружении, в условиях эксплуатации, специфику механических свойств, ис­ пользуемых для их изготовления материалов и технологии изготовления и т. п. Вместе с тем для них характерны следующие общие условия. Как правило, эти конструкции изготавливают из углеродистых и малолегированных сталей (за исключением тру­ бопроводов высокого давления и некоторых других конструкций), которые склонны к хрупкому разрушению. Они весьма часто изготавливаются путем сварки, что мо­ жет привести к охрупчиванию материала, концентрации напряжений, дефектам; многие конструкции эксплуатируются в условиях атмосферной коррозии, а в не­ которых случаях (резервуары) — в химически активных средах, способствую­ щих наводораживанию и охрупчиванию материала. Часто эти конструкции эксплу­ атируют при низких климатических температурах. Они подвергаются малоцнкловому (резервуары) и комбинации мало- и многоциклового (корпуса судов, мосты, подкрановые конструкции) нагружений.

Интересно отметить, что первые зафиксированные в истории случаи разрушений связаны именно с металлическими конструкциями. Так, в работе [22] отмечается, чтов 1750 г. близ города Анжера во Франции через мост длиной 102 м шел в ногу отряд солдат (487 человек). Мост был цепной. Частота шага как раз совпадала с час­ тотой собственных колебаний моста, т. е. имел место резонанс. Размахи колебаний моста увеличились настолько, что цепи оборвались и мост вместе с колонной солдат обрушился в реку, погибло 226 человек. Кроме вынужденных колебаний в местах возможны и автоколебания типа «флаттер», которые в этом случае весьма опасны.

Красноречивым подтверждением сказанного является грандиозная катастро­ фа висячего моста современной конструкции через пролив Такома (США) в 1940 г. [22]. Общая длина моста составляла 1662 м, наибольший из трех пролетов имел длину 854 м, ширина моста 12 м. В день катастрофы 7 ноября 1940 г. дул ветер со скоростью 18 м/сек; в это время частота колебаний моста достигала 36 кол/мин, затем частота колебаний внезапно уменьшилась до 14 кол/мин происходило закручивание проез­ жей части моста. В результате этих сложных колебаний произошло разрушение мос­ та с катастрофическими последствиями.

Вприведенных выше примерах разрушение мостов было связано с неизвестными

вто время явлениями резонансного типа, приведшими к резкому увеличению напря­

жений и разрушению. Эти разрушения иници­ ировали разработку специальных разделов тео­ рии колебаний, которые позволили учитывать такие явления при эксплуатации и проектиро­ вании мостов. Поломки мостов встречаются и в настоящее время, они связаны в основном с ус­ талостью, вызванной цикличностью нагруже-

6

Рис. 3.2. Изменение напряжений в раскосе железнодорожного моста (а) и в оттяж­ ке ретрансляционной мачты (<5)

Рис. 3.3. Зависимость интенсивности отказов от срока и температуры эксплуатации

ния, приводящей к зарождению и развитию трещин, и с хрупкими разрушениялпг которые особенно опасны при низких температурах и наличии усталостных трещин.

Приведенные на рис. 3.2 режимы нагружения являются типичными режимами двухчастотного (полигармонического в общем случае) циклического нагружения, когда периодическое малоцикловое нагружение от массы (например, подвижных объектов на мосту) давления жидкости или газа в резервуаре сопровождается ве­ тровыми и другими нагрузками [164].

Часто разрушение мостов вызывается совокупностью факторов: наличием техно­ логических дефектов, возникших в процессе производства металла или при монтаже (сварке) конструкции, инициированием и развитием усталостной трещины, в усло­ виях воздействия переменных нагрузок при наложении коррозионных других эффек­ тов, условиями, способствующими хрупкому разрушению (понижение температуры эксплуатации, динамические нагрузки и другие).

В работе [155] описывается случай разрушения в 1967 г. моста «Пойнт Плезит Бридж» через реку Огайо (США), приведший к гибели 46 человек и большим эконо­ мическим потерям. Причиной разрушения было возникновение усталостной трещи­ ны в стержне с проушиной, приведшей к хрупкому разрушению. Анализ этого разру­ шения показал, что использованная сталь была весьма чувствительна к вызывае­ мому внешней средой коррозионному растрескиванию под напряжением, которое в этом случае было весьма высоким (около 264 МПа) и имело низкое сопротивление развитию трещины. Выбор другого материала для стержня с проушиной свел прак­ тически к нулю вероятность разрушения мостов такого типа.

Типичным примером аварии, обусловленной комплексом причин, служит ава­ рия, проишедшая в Северном море на первичном нефтяном месторождении Экофиск 28 марта 1980 г., когда разрушилась буровая платформа «Александр Кьелленд», в результате чего погибло 123 человека [17]. Анализ причин аварии показал, что пер­ вичной причиной послужила трещина вблизи сварного шва в окрестности конструк­ тивного концентратора. Эта трещина постепенно развивалась как типичная трещина усталости, за время (12 месяцев) устойчивого роста она охватывала 2/3 сечения кон­ структивного элемента. Технологический дефект в этом случае усугубился выбором неудачной конструктивной схемы, когда разрушение одного конструктивного эле­ мента привело к разрушению всей конструкции, и отсутствием средств для обнару­ жения развитых усталостных трещин.

Детальный анализ хрупких разрушений стальных конструкций был выполнен в работе [145]. Анализировались разрушения резервуаров, подкрановых ферм, ферм мостов, технологических колонн, эстакад, каркасов и покрытий промышленных зда­ ний и других, изготовленных в основном из низкоуглеродистых сталей. Результаты этого анализа приведены в табл. 3.1. Основные выводы, которые сделаны авторами этой статьи, состоят в следующем. Наблюдаемые разрушения происходили, как пра­ вило, при эксплуатационных нагрузках, не превышающих нормативные. Номиналь­ ные напряжения в момент разрушения были ниже предела текучести. Случаи хруп­ кого разрушения металлических конструкции наблюдались и до появления сварки (табл. 3.1), разрушались и клепаные соединения. Однако широкое использование сварных соединений и увеличение объема эксплуатируемых конструкций вообще привели к учащению случаев хрупкого разрушения.

Основные причины хрупкого разрушения — низкое качество стали, повышенная концентрация напряжений, технологические дефекты изготовления или монтажа, причем наиболее часто такой причиной является концентрация напряжений.

Преобладающее число поломок, как эго следует из табл. 3.1, имело место при отрицательных температурах, когда вязкость низкоуглеродистых сталей резко пада­ ет. Однако полностью свести проблему хрупкого разрушения конструкций к свой­ ствам сталей было бы неправильно.

В работе [164] убедительно показано, что исключение концентрации напряже­ ний, сварочных и других дефектов, оптимизация остаточных напряжений и тому подобное позволяет существенно повысить долговечность конструкций, в том числе н сварных, из низкоуглеродистых сталей при их эксплуатации в условиях низких температур.

В работе [145] проанализирована зависимость интенсивности отказов конструк­ ции от срока эксплуатации. Из рис. 3.3 следует, что преобладающая часть отказов происходит в первые годы эксплуатации конструкций. Более половины всех разру­ шений зарегистрировано при первом же достаточно резком снижении температуры.

Т а б л и ц а 3.1. Случаи хрупкого разрушения металлических конструкций

Пр и м е ч а н и е : К — клепанные; С — сварные; КС — смешанные клепанные и сварные; дефекты изготовления или монтажа; КП — кипящая сталь; ПС — полуспокойная сталь; СП — сто

Со временем интенсивность отказов статически нагруженных конструкций за­ метно уменьшается, а температура, при которых она происходит, снижается.

На рис. 3.3 п — отношение числа отказов за данный срок к общему числу от­ казов.

Вработе [145] сделан вывод о существенном влиянии на хрупкое разрушение условий монтажа и предварительного деформирования конструкции. Если такое деформирование имеет место при температурах выше температуры хладноломкости, когда материал может деформироваться пластически, то сопротивление хрупкому разрушению повышается.

Вслучае, если конструкция подвергается циклическому нагружению, то в ре­ зультаты, приведенные на рис. 3.3, следует внести коррективы, связанные с зарожде­ нием и развитием усталостных трещин. Так, в соответствии с работой [129], трещины

ввоздухонагревателях доменных печей появляются после двух—трех лет эхсплуата-

Рис. 3.4. Распределение частот разрушения в зависимости от срока эксплуатации:

а, б — статически и циклически нагруженные конструкции соответственно

Ярким примером хрупкого разрушения крупногабаритных металлических кон­ струкций явились разрушения сварных корпусов судов (США) во время второй миро­ вой войны. Особенно большое внимание привлек случай разрушения сварного кор­ пуса танкера «Скенектеди» (США) водоизмещением 16 000 т. Этот танкер завершил ходовые испытания и 16 января 1943 г. вернулся на верфь. Вечером того же дня в безветренную холодную погоду (температура воздуха 269,7 К', температура воды +277,4 К) этот корабль внезапно разломился надвое. Разрушение произошло по все­ му корпусу. К марту 1946 г. общее число разрушений судов такого типа достигло 132; на конец 1958 г-, число таких разрушений достигло 319, т. е. практически все суда такого типа имели разрушение того или иного вида. Проведенный анализ пока­ зал, что разрушение судов произошло в результате сочетания таких неблагоприят­ ных обстоятельств, как высокие изгибные напряжения в корпусе судна, значитель­ ная разница температуры воды и воздуха при сравнительно низких абсолютных значениях температуры, наличие дефектов в сварных швах и плохое качество стали (низкие значения вязкости разрушения).

Весьма опасны разрушения трубопроводов, эксплуатирующихся при высоких давлениях. Современные газопроводы имеют диаметр до 1500 мм при избыто1нэм давлении до 10 МПа и скорости газа до 20 м/сек, что приводит к большим запасам потенциальной энергии. В этих случаях трещины, инициированные сварочными.нли другими дефектами, распространяются с весьма большими скоростями, и общийЦпроскок трещин достигает километров. При этом скорости вязких трещин находятся в диапазоне от 100 до 300 м/с, а скорости распространения хрупких трещин — от 600 до 1000 м/с [173].

Наряду с хрупкими разрушениями, характерными для многих металлических конструкций, для ряда конструкций, эксплуатирующихся в условиях высоких тем­ ператур, прежде всего металлургического оборудования (чаши шлаковозов, тележки агломерационного производства и т. п.), предельное состояние определяется боль­ шими необратимыми деформациями, приводящими к искажению геометрической формы изделия. i

В работе [67] рассмотрены условия эксплуатации чаши шлаковозов, которые представляют стальные отливки из углеродистой стали, в виде оболочек с толщиной стенки 60...90 мм, емкостью до 16,5 м3, и показано, что при их эксплуатации (налив и слив шлака четыре — пять раз в сутки, температура шлака 1670... 1770 К) после трех — четырех месяцев эксплуатации наблюдаются заметные изменения формы, ко­ торые в дальнейшем приводят к их выводу из строя.

Особенностью эксплуатации этих изделий является большая неоднородность температур по толщине и образующей, способствующая возникновению больших термических напряжений при механических нагрузках, близких к нулю.

3.2. Авиационная и космическая техника

Наиболее известными авиационными катастрофами, вызванными разрушением конструктивных элементов, являются катастрофы английских пассажирских турбореактивных самолетов «Комета» [185]. 10 января 1954 г. такой самолет взлетел с аэродрома г. Рима. В режиме подъема на высоте примерно 10 000 м самолет разрушился. Экипаж, пассажиры и обломки самолета утонули в море. Ника­ ких сообщений о неполадках от экипажа не поступало, все свидетельствовало о нор­ мальном полете. 8 апреля 1954 г. через 33 мин после взлета с того же аэродрома на высоте также около 10 000 м разрушился второй самолет «Комета». Английская ави­ атранспортная кампания вынуждена была прекратить полеты на самолетах «Комета». Для Англии эти события были национальным бедствием. Обследование обломков самолета показали, что обе катастрофы самолетов «Комета» произошли вследствие усталостного разрушения силовых элементов фюзеляжа. В годы второй мировой вой­ ны около 20 английских бомбардировщиков «Веллингтон» разрушились в воздухе под действием непрерывных повторных нагрузок, число которых в связи с интенси­ фикацией полетов возросло [169]. Известны и другие случаи разрушения самолетов в связи с интенсивными повторными нагрузками [169].

Появлению проблемы усталости авиационных конструкций способствовали следующие причины. Методы расчета и испытаний статической прочности самолетов достигли высокой степени совершенства, что привело к появлению в конструкции самолетов элементов, работающих при высоких нагрузках. Были созданы облегчен­ ные материалы свысокой статической прочностью, однако при циклических нагрузках прочность этих материалов оказалась невысокой.

С повышением интенсивности полетов и увеличением скорости резко возросло число действующих на самолет переменных нагрузок. Такая ситуация, когда вопро­ сы статической прочности конструкции достаточно хорошо отработаны и не являются определяющими при обеспечении надежности и ресурса, а определяющими являют­ ся вопросы мало- и многоцикловой усталости, термической усталости, ползучести, хрупкого разрушения и тому подобное, имеет место при рассмотрении большинства конструкции в технике. Проблема мало- и многоцикловой усталости применительно к прочйости авиационных конструкций является основной. Проблема усталости ави­ ационных конструкций усложняется необходимостью учета влияния на процесс за­ рождения и развития усталостных трещин коррозии, фреттинг-коррозии, наличие большого количества концентраторов в виде отверстий под болты и заклепки, а их сотни тысяч в конструкции транспортного самолета, в виде отверстий для окон, лю­ ков, дверей; необходимостью использования выеокопрочных материалов (алюминие­ вых сплавов с сгв > 400 МПа, титановых сплавов с < в > 200 МПа, сталей с ав > > 1600 МПа), которые особенно чувствительны к концентрации напряжений, фрет­ тинг-коррозии и т. д.

О спектре нагрузок, действующих на реактивный пассажирский самолет, мож­ но судить по данным, приведенным в табл. 3.2 [151], где приведены число циклов нагрузки за 1000 ч налета (ресурс для пассажирских самолетов составляет более 50 тыс. ч), частота нагружения и коэффициент нагрузки k, равный отношению мак­ симального напряжения, действующего на конструкцию при данной частоте нагру-

f,/if

Рис. 3.5. Частоты нагружения при действии снеговых (/), температурных (2), вет­ ровых (3), звуковых (3) нагрузок и нагрузок, возникающих в резервуарах и при дви­ жении транспорта (4), полете самолета (5), движении корабля (6) и автомобиля по неровной дороге (7), а также при резонансных колебаниях (9)

экения, к разрушающему напряжению конструкции. Для сравнения на рис. 3.5 по­ казана частота нагружения, характерная для других типов конструкций [47].

С увеличением частоты нагружения уровень максимальных напряжений в ави­ ационных конструкциях падает. В первом приближении зависимость между коэффи­

Как следует из табл. 3.2, корпус самолета подвергается широкому спектру на­ грузок от повторной статики до звуковых и ультразвуковых колебаний, что может вызвать различные виды усталостных разрушений.

При рассмотрении элементов конструкций, эксплуатирующихся при воздействии совокупности нагрузок различной частоты, становится актуальной проблема проч­ ности и долговечности в условиях поличастотного (в частности двухчастотного) на­ гружения. Режимы двухчастотного нагружения, характерные для различных дета­ лей, даны в табл. 3.3, где приведены данные по отношению амплитуд напряжений высокой частоты к суммарной амплитуде и отношению высокой частоты к низкой.

В результате определяющей роли переменных нагрузок при обеспечении проч­ ности авиационных конструкций необходимо учитывать зависимость ресурса от ре­ жима эксплуатации. Так, в связи с тем, что существенное повреждение вносится по­ летным циклом земля — воздух — земля, общая долговечность будет зависеть от про­ должительности полета. В качестве примера на рис. 3.8 приведена схема нагружения нижней поверхности крыла транспортного самолета. Пунктиром изображен цикл земля — воздух — земля. .Из рис. 3.8 видно, что размах напряжений цикла зем­ ля — воздух — земля существенно больше, чем другие размахи переменных нагру­ зок, и что они вносят наиболее существенный вклад в повреждение материала.

Зависимость срока безопасной эксплу­ атации одного из типов самолетов от про­ должительности полета и загрузки пока-

Рис. 3.6. Зависимость между коэффициентом нагрузки и частотой нагружения

Рис. 3.7. Зависимость между коэффициентом нагрузки и числом циклов до раз­ рушения