Известно, что наличие концентрации напряжений не приводит к снижению несущей способности пластичных материалов в условиях кратковременного и длительного статического нагружения.
В дальнейшем под термином “несущая способность конструкции из пластичных материалов” будем понимать условия, при которых предельные нагрузки, приводящие конструкцию к разрушению, определяются потерей несущей способности по механизму пластического шарнира.
Известно, что при длительной пластичности деформированного материала более 4—5 %, он нечувствителен к надрезу в испытаниях на длительную прочность. Также известно, что литые сплавы не чувствительны к надрезу и что температурная зависимость пластичности материалов немонотонна. Поэтому, анализируя состояние материала, необходимо изучать его деформационную способность как функцию температуры и скорости деформирования (скорости ползучести).
Рис. 1. Результаты расчетов НДС лопатки турбины, выполненных по теории закрученных стержней и МКЭ
В качестве примера в табл. 1 приведены результаты испытаний цилиндрических образцов (гладких и с концентратором напряжений в виде кольцевого надреза) на кратковременное растяжение, а на рис. 2 на длительную 100-часовую прочность.
Таблица 1
Прочность материалов в условиях концентрации напряжений
С другой стороны сталь ЭИ481 в испытаниях образцов с кольцевым надрезом при 600 °C имеет время до разрушения меньше, чем в испытаниях гладких образцов, сто связано с ее низкой длительной пластичностью.
Анализ экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о том, что критерием пластичности материалов может служить величина отношения
. Можно считать, что сплавы с
, полученном при соответствующих температурах на образцах с ασ=3,5-4,5 в испытаниях на кратковременное растяжение и длительную прочность, не склонны к хрупкому разрушению.
Рис. 2. Результаты испытаний на длительную 100-часовую прочность гладких образцов и образцов с концентратором напряжений в виде кольцевого надреза (индексом 1 отмечены данные по образцам с надрезом)
Применение сплавов с Κσ<1,3 целесообразно допускать только на основании специальных исследований, включающих статистическую оценку результатов испытаний образцов с трещиной (КСТ), и характеристик малоцикловой усталости на образцах с надрезом.
С учетом сказанного можно утверждать, что внедрение расчетов МКЭ и уточнение НДС в местах концентрации напряжений, не является основанием для корректировки запасов по несущей способности конструкций.
В то же время можно считать, что если несущая способность конструкции обеспечена, то оценку величины запасов статической прочности по местным напряжениям можно не проводить. Рассмотрение критериев, принятых в нормах прочности, предложенных подходов к оценке статической прочности и опыт эксплуатации различных деталей показывают, что всякие попытки ограничивать величину местных статических напряжений величиной предела текучести не имеют смысла. При этом стало общепринятым, что если соответствующая предельная деформация больше 4—6 % то влияние остаточных напряжений при расчете на статическую прочность можно не учитывать. То же относится и к однократным термическим напряжениям στ, если
(а — коэффициент линейного расширения, Е — модуль упругости, ΔΤ — диапазон изменения температуры).
При таком подходе к нормированию статической прочности конструкций необходимо проверять склонность конструкции к хрупкому разрушению. Например, проверять выполнение условия, что величина J-интеграла меньше критической J. Так, например, для сосудов давления в этом случае максимальные статические номинальные напряжения (без учета концентраторов) допускаются меньшими 1/1,5 от предела текучести и 1/2,6 от предела прочности.
Вопросы нормирования статической прочности целесообразно развивать на основе всесторонних исследований свойств материала в направлениях совершенствования как моделей пластичности, используемых для расчетов объемного НДС, так и критериев разрушения. При этом новые модели после их всестороннего тестирования необходимо оперативно адаптировать в коммерческие КЭ пакеты.
При оценке запасов местной прочности с учетом сказанного выше, целесообразно использовать следующие подходы.
Оптимальным является расчет НДС с выбором модели пластичности в зависимости от путей нагружения и материала в соответствии с концепцией многомодельного подхода. Однако для многих практических задач использование широко распространенной модели кинематического упрочнения является вполне оправданным. Следует также отметить, что при использовании кривых деформирования деформации необходимо относить к текущей полной деформации.
Статическая прочность пластичных материалов должна оцениваться по исчерпанию пластичности материала ε , в свою очередь зависящей от скорости нагружения или от времени. При этом следует различать предельные состояния в условиях внутризеренного или межзеренного разрушения. Для внутризеренного разрушения характерно отсутствие зависимости предельных деформаций от скорости нагружения, в то же время предельные деформации при межзеренном разрушении в условиях уменьшения скорости нагружения обычно уменьшаются. Если местная прочность оценивается в условиях кратковременной пластической деформации, то запас по деформациям ε/ερ (ερ — пластическая деформация) должен быть не ниже 2,0. При этом ε определяется с учетом жесткости напряженного состояния по формулам (9.13), дающим консервативные оценки пластичности. Запас по напряжениям в этом случае должен быть не менее 1,2—1,4.
