4.15 Обеспечение надежности конструкций с трещинами при проектировании, изготовлении и эксплуатации

Признаки надежной конструкции

Как уже говорилось, повышение эксплуатационных нагрузок и использование высокопрочных материалов значительно повышают опасность хрупкого разрушения. Поэтому для обеспечения надежности изделие должно быть спроектировано и изготовлено так, чтобы оно сохраняло работоспособность при наличии трещин и разрушившихся элементов. Конструкцию принято считать надежной, если

– дефект никогда не достигнет критической величины за весь расчетный период эксплуатации;

– дефект в процессе своего развития может быть гарантированно обнаружен доступными средствами дефектоскопии прежде, чем он достигнет критического размера.

Прочность конструкции, которая еще обеспечивает ее надежную работу при сохранении заданных технических показателей, называется наименьшей допустимой остаточной прочностью. Остаточную прочность можно ассоциировать с несущей способностью объекта, количественно характеризуемой предельной внешней нагрузкой.

Способы обеспечения надежности

Надежная работа конструкций с трещинами обеспечивается различными мерами в течение всего жизненного цикла изделия – на этапе проектирования, изготовления, доводки и эксплуатации. Рассмотрим некоторые из них.

Рис. 4.52. Обеспечение надежности путем применения материала с высокой вязкостью разрушения

1 . Применение материалов с высокой вязкостью разрушения, обладающих низкой скорость роста трещины и высокой остаточной прочностью (рис. 4.52, [F] – наименьшая допустимая остаточная прочность). Для обнаружения дефекта можно использовать промежуток времени t_обн (t₀ – момент обнаружения дефекта размером l₀, зависящим от разрешающей способности применяемого дефектоскопа). Периодичность проверок зависит от скорости подрастания трещины. Поскольку с увеличением длины трещины ее скорость быстро увеличивается, умеренная погрешность определения критического размера практически не оказывает влияния на расчетную величину межосмотровых интервалов.

Рис. 4.53. Обеспечение надежности конструкции передачей нагрузки рядом параллельных элементов

2. Конструкцией машины или сооружения может быть предусмотрена передача нагрузки несколькими параллельными элементами. При разрушении одного из несущих элементов конструкция по-прежнему сохраняет работоспособность – нагрузка перераспределяется между оставшимися. Судя по схеме на рис. 4.53, разрушение лишь третьего элемента приводит к предельному состоянию всего изделия в целом, когда его остаточная прочность становится ниже наименьшей допустимой.

Если разрушение одного из элементов произошло в начале эксплуатации, то оно, как правило, связано с наличием начального дефекта; в этом случае его целесообразно заменить и продолжить работу, период которой может быть достаточно длительным. Разрушение же элемента в конце расчетного ресурса свидетельствует о накоплении им рассеяного повреждения критической величины; оно является сигналом скорого общего разрушения конструкции.

3. Иногда изложенные выше способы оказываются неприменимы – слишком мал дефект или затруднена дефектоскопия. В подобных случаях могут быть проведены контрольные испытания (рис. 4.54). Если объект выдержал контрольную нагрузку без разрушения, значит, в нем отсутствуют дефекты размером l_контр. Допустимый размер дефекта при нагрузке [F_min] определяется, как видно на схеме, величиной [l ]. Период времени между испытаниями выбирают исходя из скорости роста трещины l (t) и располагаемого «запаса» [l ] – l_контр. При перегрузке в вершине трещины возникают остаточные напряжения, которые могут как снижать, так и повышать скорость развития трещины. На практике контрольные испытания применяют довольно редко, так ка они дороги, сопряжены с риском разрушения конструкции и не всегда возможны.

Рис. 4.54. Обеспечение надежности путем проведения контрольных испытаний

Рис. 4.55. Обеспечение надежности массивных деталей путем поверхностной зачистки

4. Другой подход к повышению надежности конструкций состоит в активном воздействии на дефект, в частности, путем зачистки поверхности с потенциально возможной трещиной. После удаления слоя поверхности (рис. 4.55) раковина размером [l ] уменьшится до величины l_зач. Время роста трещины от l_зач до [l ] определяет интервал между зачистками. После этой операции рекомендуется провести механическую, термическую либо комбинированную обработку детали для создания в поверхностном слое благоприятного поля сжимающих напряжений. Таким образом удается решить проблему надежности дорогостоящих конструкций с элементами большого сечения и низкими скоростями развития трещины.

Исходя из сказанного, логично сделать вывод, что в решении проблемы надежности важную роль играет назначение периодичности межосмотрового (межпроверочного) интервала. Порядок этой процедуры представлен следующей блок-схемой (табл. 4.4).

Таблица 4.4

П орядок назначение межосмотрового интервала

Если в процессе эксплуатации проверки не предусмотрены, то назначается предельно допустимый начальный размер дефекта [l₀].

Сопоставление различных методов повышения надежности позволяет сделать вывод, что повышение точности дефектоскопии более эффективно, чем увеличение допустимого размера дефекта. На рис. 4.56 продемонстрирован «выигрыш» во времени t_с, полученный за счет повышения трещиностойкости материала вдвое(!) (чего добиваются, в частности, дополнительным введением дорогостоящих лигатур и, как следствие, удорожанием каждого изделия), и t₀, достигнутый, также вдвое, увеличением разрешающей способности дефектоскопа. Надо иметь в виду, что затраты на новое оборудование – разовые и практически не влияют н а стоимость серийно выпускаемой продукции.

Рис. 4.56. Сопоставление эффективности совершенствования дефектоскопии и повышения трещиностойкости материала

Добавим, что совершенствование расчетных и экспериментальных методов оценки трещиностойкости, получение более точных и объективных характеристик материалов представляют перспективный путь создания надежных конструкций.

Мероприятия, повышающие трещиностойкость конструкций

Повышения сопротивления элементов конструкций хрупкому разрушению добиваются, применяя различные конструктивные решения и технологические приемы.

Этому, в частности, способствует переход от плоского деформированного состояния к плоскому напряженному, при котором, как было показано, пластическое течение материала менее стеснено, и, следовательно, выше сопротивление росту трещины (см. подраздел 4.10). С этой целью могут использоваться, например, вставки, набранные из пластин (рис. 4.57 а).

Рис. 4.57. Повышение сопротивления росту трещины с помощью плоских вставок (переход от ПДС к ПНС – а) и «мягких» прослоек (б)

На том же принципе основано применение «мягких» прослоек или сварных швов из материала с высоким отношением , помещаемых в местах возможного развития трещины (рис. 4.57 б). Ее торможение определяется нарушением энергетического баланса в пользу сопротивления распростране нию трещины;

R > G.

Суть другого способа заключается в создании области сжимающих напряжений в местах возможного образования или развития трещины, что может быть достигнуто

– поверхностной обработкой;

– созданием перегрузок, предварительно или в процессе эксплуатации;

– постановкой остановочных полос (на болтах или наваренных) – рис. 4.58.

В этом случае происходит нарушение энергетического баланса

G < R

Рис. 4.58. Установка остановочной полосы для создания области сжимающих напряжений перед фронтом трещины

за счет уменьшения интенсивности выделения энергии.

Рис. 4.59. «Слабые» барьеры в волокнистом композите (а) и простая система остановочных и разгрузочных отверстий перед фронтом трещины (б)

И спользование так называемых «слабых» барьеров, требующих для своего разрушения дополнительных затрат энергии, позволяет остановить движущуюся трещину или, изменив ее траекторию, развернуть в безопасном направлении. На рис. 4.59 а показана схема распространения трещины в композите – для наглядности с весьма малой объемной долей армирующей фазы. Последовательно разрушая волокна и расслаивая границу «волокно–матрица», трещина теряет энергию и, в итоге, разворачивается в менее опасном направлении, по направлению нагрузки, поскольку прочность пограничного слоя обычно заметно ниже прочности как волокна, так и матрицы.

В ряде случаев в детали может предусмотрена заранее или нанесена в процессе развития усталостной трещины система остановочных и разгрузочных отверстий (рис. 4.59 б). Таким образом удается временно предотвратить разрушение (иногда на довольно длительное время) конструкций, находящихся в аварийном состоянии или таких, ремонт которых по каким-либо причинам нецелесообразен.

В научно-технической литературе обсуждаются также и некоторые другие, в том числе, и нетрадиционные методы остановки трещин: торможение упругими волнами напряжений, с помощью температурных и электромагнитных полей и проч.

Для более подробного ознакомления с этим своеобразным разделом механики твердого деформированного тела можно порекомендовать несколько уже получивших признание учебников как отечественных, так и зарубежных авторов, например, [2, 10, 15, 20, 28], а также фундаментальную монографию «Разрушение» в 7-ми томах под редакцией Г. Либовица.