Конструктивные факторы

Масштабный эффект. Механическую прочность стали и ее работоспособность обычно определяют в лабораторных условиях на образцах малых размеров по сравнению с действительными изделиями. Эти данные используют для оценки пригодности стали и для расчета конструкций.

Однако, в действительности существуют расхождения механических свойств конкретных изделий и образца даже при соблюдении подобия геометрических размеров и условий испытания с условиями эксплуатации. Эти явления называют масштабным эффектом или масштабным фактором.

Увеличение размеров детали способствует стеснению пластического течения, которое возрастает по мере удаления от ее свободной поверхности. В центральной части крупных изделий может развиваться объемное напряженное состояние, близкое к равномерному трехосному растяжению. Разрушение таких изделий, по крайней мере в центральной части, носит хрупкий характер.

Следует также иметь в виду, что появление дефектов в материале подчиняется вероятностным законам, вследствие чего прочность имеет статистическую природу. Чем больше размер образца, тем больше опасность присутствия в нем опасных дефектов, развития ликвации, пористости, различия в размерах зерен, меньшей степени проработки структуры при ковке, прокате или термической обработке. Так, например, из-за слабой прокаливаемости в больших сечениях критическая температура хрупкости может повышаться на 20 °С и более. Все это увеличивает склонность к хрупким разрушениям.

Типичная кривая зависимости коэффициента интенсивности напряжений от размеров образцов представлена на рис. 13.11. Видно, что для геометрически подобных образцов с увеличением размеров происходит ассимптотический переход от больших значений K _c к меньшим. С увеличением толщины образца температурная зависимость K _c смещается в область более высоких температур. Кроме того, с увеличением размера детали d происходит уменьшение доли поверхностной энергии в общем балансе энергий, так как накапливаемая упругая энергия растет пропорционально d ³, а поверхностная энергия — d ². Поэтому масштабный фактор проявляется не только в ужесточении напряженного состояния и воздействии на структуру, но и в увеличении способности системы к накоплению избыточной энергии упругой деформации.

Рис. 13.11. Зависимость вязкости разрушения
от толщины образца

Концентраторы напряжения. Влияние конструктивных концентраторов напряжений (надрезы, выточки, переходы, шейки и т. д.) оказывают существенное влияние на прочность, характер разрушения и надежность изделий.

Анализ причин хрупких разрушений показывает, что трещины обычно начинаются от надрезов, являющихся концентраторами напряжений. Надрезом является любое нарушение непрерывности металла. К надрезам относятся дефекты сварных соединений (пористость, непровар, пустоты по сечению шва), поверхностные царапины, неметаллические включения, газовые раковины. В месте надреза пластическая деформация стеснена, что приводит к увеличению сопротивления пластической деформации, т. е. к росту σ_т. Чем острее и глубже надрез, тем больше стеснена пластическая деформация, тем выше σ_т. Под влиянием надрезов металл разрушается хрупко при более высокой температуре (табл. 13.3). Чувствительность к концентрации напряжений является важной характеристикой надежности материала, по которой более прочный металл чаще уступает менее прочному.

Таблица 13.3