Определение сопротивления материалов отрыву как элемент прогнозируемого роста трещины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

и энергозатраты на его изготовление, а соответственно и себестоимость изделия. После механической обработки изделия «Переход» успешно прошли стендовые гидроиспытания на герметичность с испытательным давлением жидкости во внутренней полости изделия Риси= 25 Мпа. Для примера на рисунке 2 приведен общий вид отливки для перехода ГОСТ 17378-83 Ду530х 18-325x16 из стали 09Г2С.

По разработанной технологии на ЗАО «Омский завод специальных изделий» освоен выпуск литых переходов различных типоразмеров по ГОСТ17378-83, от Ду50 до Ду530 с давлением рабочей среды от Ру 0,1 МПадоРу 10,0 МПаиз углеродистой марки стали 20, а также из низколегированных сталей 09Г2С, 10Г2.

Библиографический список

1. Патон Б. Е. и Медовар Б.И. Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла. — Киев: Наук, думка, 1988. - 214с.

2. Медовар Б. И., Цикуленко А. К., Шевцов В. Л. и др. Металлургия электрошлакового процесса. — Киев: Наук, думка, 1986. - 248 с.

ЖЕРЕБЦОВ Сергей Николаевич, генеральный директор ЗАО «Омский завод специальных изделий». РОМАНОВСКИЙ Михаил Владимирович, студент группы С-510, кафедра «Оборудование и технология сварочного производства».

удк 539.з м. А. ФЕДОРОВА

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ОТРЫВУ КАК ЭЛЕМЕНТ ПРОГНОЗИРУЕМОГО РОСТА ТРЕЩИНЫ

В последнее время на кафедре «Сопротивление материалов» ОмГГУ получил развитие новый подход к оценке несущей способности деталей с трещинами.

Отличие этого подхода от известных однопара-метрических критериев «Механики разрушения» заключается в том, что рассматриваются не интегральные характеристики напряжений и деформаций в окрестности трещины, а локальные характеристики напряженного и деформированного состояния материала в каждой точке по фронту трещины.

Согласно этому методу у вершины трещины с ростом нагрузок на деталь материал испытывает следующие состояния: упругое, появление пластических деформаций, развитие пластических деформаций, исчерпание пластичности и разрушение.

В зависимости от свойств материала, формы трещины и формы детали в различных зонах фронта трещины может иметь место разрушение срезом, при исчерпании ресурса пластичности и разрушение отрывом, когда пластические деформации затруднены (рис.1).

Суть нового подхода заключается в том, что в каждой точке по фронту трещины вычисляются накопленные пластические деформации и максимальные растягивающие напряжения. Если какой-либо из этих признаков достигает предельного значения, то материал в этой точке считается разрушенным.

Для осуществления этого метода необходимо определять нестандартную, редко употребляемую характеристику сопротивления материалов разрушению отрывом а,..

0 уп?

отрыв

Рис. 1.

Существующие методики определения этой величины можно разделить на три основных типа:

1. Получение хрупкого разрушения пугем ударного нагружения образцов.

2. Подавление движений дислокаций за счет разрушения образцов при криогенных температурах.

3. Создание в зоне разрушения такого вида напряженного состояния, при котором движения дислокаций запрещены.

Один из вариантов, поясняющий переход материала к хрупкому разрушению иллюстрируется схемой Иоффе (рис.2).

Согласно этой схеме материал имеет не зависящее от температуры испытания сопротивление разрушению — отрыву и сильно уменьшающийся с повышением температуры предел текучести. Точка пересечений линий Б,,, и от делит схему на две температурные области: левее точки пересечения

Б, СТ N N Ч \ N Ч N ^ОТ

-►

1°

- сопротивление отрыву ат - предел текучести Рис. 2.

область хрупких разрушений, правее — материал пластически деформируется до разрушения, т.е. это область вязких разрушений.

Точка пересечения ветвей Б и стт соответствует критической температуре хрупкости.

В основе определения сопротивления материалов разрушению отрывом по схеме Иоффе положены представления о том, что сопротивление отрыву определяют силы электромагнитного взаимодействия атомов, а разрушение срезом определяется подвижностью дислокаций. С понижением температуры подвижность дислокаций уменьшается, а электромагнитное взаимодействие остается неизменным, следовательно, испытывая материал при криогенных температурах, когда движения дислокаций практически подавлены, можно получить сопротивление отрывом, которое принимается за константу материала.

Понижение температуры для многих материалов не только уменьшает пластическую деформацию, но для цветных металлов увеличивает пластическую деформацию, следовательно, методика, основанная на испытаниях при криогенных температурах, не может быть рекомендована. Известно, что с понижением температуры происходят фазовые изменения, и следовательно, при криогенных температурах мы имеем фактически другой материал.

Более предпочтительным, по нашему мнению, является третий из предложенных выше методов.

Для реализации в зоне разрушения такого вида напряженного состояния, при котором движения дислокаций запрещены, достаточно использовать круглые образцы с кольцевым надрезом. При растяжении таких образцов возникает объемное трехосное напряженное состояние. Это неравномерное напряженное состояние у самого надреза приводит к увеличению нормальных напряжений и снижению касательных, что и приводит к разрушению отрывом.

При деформировании образцов с кольцевым надрезом характерно практически отсутствие пластических деформаций, кроме того, поверхности разрушения имеют явную зернистую структуру, без участков поверхностей, составляющих угол 45° к плоскости разрушения. Это является убедительным подтверждения того, что имело место разрушение отрывом.

Нами проведена серия опытов по испытанию образцов с кольцевыми надрезами. Их эскизы представлены на рисунке 3.

Измерения образцов производились на кафедре «Метрология и приборостроение» с использованием оптического микроскопа.

ИЗ

i к / г ) \

Г 00

( 1 >

12 40 —--►

<4- 64

60°

! к \ / ' \

▼ У к < ОО 1 С-

-►

* 12 * 4- 40

Рис.3. Эскизы образцов.

Рис. 4. Типичные диаграммы растяжения.

Рис.5. Фотографии образцов после эксперимента.

Испытания на растяжение были произведены на машине ЦДМ-10 и были получены диаграммы растяжения, приведенные ниже на рисунке 4.

Характер диаграмм, а также фрактографические признаки явно свидетельствуют о том, что пласти-

ческой деформации в образце с надрезом не было. Это позволяет считать, что было достигнуто разрушение отрывом.

Вывод. Испытания образцов с кольцевым надрезом позволяют простыми средствами получить необходимые исходные данные для моделирования роста трещины. Таким образом, сопротивление материалов отрывом определяется простым и надежным способом, что создает предпосылки для его использования в расчетной практике в будущем.

Библиографический список

1. Ужик Г.В Сопротивление отрыву и прочность металлов.-М.-. Издательство АН СССР, 1060,- 255 с.

2. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. — М.: Машиностроение, 1975.-399 с.

ФЁДОРОВА Мария Александровна, ассистент кафедры «Сопротивление материалов».

УДК 622.24.053.5 Д. В. КАРЛСЕВ

И. В. КРУПНИКОВ

Омский государственный технический университет

ООО «Сибнефтетранспроект»

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕПРОВОДА НА ОСНОВЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО И СИЛОВОГО КРИТЕРИЕВ_

В статье дана оценка остаточной прочности магистрального нефтепровода на основе деформационного и силового критериев.

Длительная эксплуатация магистральных нефтепроводов приводит к различным коррозионным повреждениям, которые снижают прочность нефтепровода.

Подробный анализ коррозионных повреждений магистральных нефтепроводов приведен в работах [1, 2, 3|. Значительную часть таких повреждений составляет коррозионное растрескивание под напряжением (стресс-коррозия). Такие повреждения имеют форму трещин перпендикулярных направлению максимальных нормальных напряжений. При обычных условиях эксплуатации эти трещины расположены вдоль оси трубы с наружной поверхности. Это приводит к необходимости снижения давления в нефтепроводе или замене отдельных его участков. В обоих случаях имеют место значительные экономические потери.

Существующие отраслевые документы по расчету допустимого давления для труб с поверхностными трещинами в большинстве своем основаны на эмпирических и полуэмпирических соотношениях ]1,2].

Значительные достижения механики разрушения в оценке трещиностойкости различных деталей практически не используются в нефтяной и газовой отраслях. В значительной мере это можно объяснить тем, что при анализе роста трещин в листовых материалах механика разрушения рассматривает разрушение материалов по механизму среза, тогда как разрушение трубы происходит в основном

по механизму отрыва и лишь на заключительной стадии разрушения проявляется механизм среза. Это означает, что огромный экспериментальный материал по определению К,.с не может быть использован для оценки критических размеров трещин. То же самое можно сказать о других однопара-метрических критериях механики разрушения.

В последнее время на кафедре "Сопротивление материалов" ОмГТУ развивается новый подход к оценке роста трещин в упруго-пластических телах, который, по нашему мнению, имеет хорошие перспективы для применения в газовой и нефтяной промышленности. Перспективы эти связаны с тем, что в основе предлагаемого метода лежит детальная физическая модель процесса разрушения, предусматривающая различные механизмы разрушения по фронту трещины, а также изменения свойств материала по толщине трубы.

Естественно, что в настоящее время такой подход не может заменить действующие ВРД, однако со временем нормативные документы будут меняться в сторону их приближения к детальным физическим процессам и излагаемый подход может быть востребован. Собственно, процесс совершенствования ВРД идет постоянно. Так, в работе [3] подвержено существенной критике использование такой неопределенной величины, как напряжение течения. Проведенные авторами опыты позволяют утверждать, что при оценке прочности труб необходимо использовать предел прочности материала.