www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ КО 2-МУ ИЗДАНИЮ

Механические свойства металлов: упругость, прочность, пластичность, вязкость, сопротивление усталости и ползучести, чувствительность к надрезу и др. являются в большинстве случаев основными для суждения о целесообразности применения того или иного металла. Знание механических свойств важно как для конструкторов, проектирующих машины и сооружения, так и для технологов, занимающихся вопросами обработки заготовок, деталей и конструкций. Изложению этих вопросов было посвящено 1-е издание настоящей книги, вышедшее в 1946 г.

За шесть лет, прошедших с тех пор, учение о механических свойствах металлов продолжало быстро развиваться в различных направлениях: экспериментальном, физическом, аналитическом и др. В развитии науки о механических свойствах играют все большую роль наряду с экспериментальными аналитические методы изучения напряженных и деформированных состояний.

Хотя механические свойства большей частью определяются при конечных (значительных по величине) пластических деформациях, аналитическая теория которых еще мало разработана, необходимо отметить, что некоторые результаты теории малых упруго-пластических деформаций (в частности разделение простых и сложных случаев нагружения) уже оказывают влияние также на развитие учения о механических свойствах при значительных деформациях.

Ведущая роль в развитии учения о механических свойствах принадлежит в значительной мере отечественным ученым. Эта роль отмечалась уже в 1-м издании этой книги. В настоящем издании автор еще в большей мере это показывает как в отношении многих давно опубликованных работ (в главах III, см. фиг. III. 23, X, XVII; XVIII по разнообразным классическим работам Д. К. Чернова, гл. XII — измерение нагрузки при заданной глубине вдавливания конуса П. В. Кубасовым в 1900 г., гл. XIII — изучение твердости отдельных структурных составляющих А. М. Бочваром в 1918 г., гл. IV — установление для упругих деформаций закона подобия В. Л. Кирпичевым в 70-х годах прошлого века, гл. X — установление М. Н. Коробковым преимуществ сужения перед удлинением в 90-х годах и применение им делительных сеток для изучения неравномерности пластической деформации и др.), так и работ, проведенных в последнее время Н. Н. Давиденковым, А. А. Ильюшиным, С. В. Серенсеном, В. Д. Кузнецовым, И. А. Одингом, Л. А. Гликмаиом, Н. П. Щаповым, Ф. Ф. Витманом, М. В. Якутовичем и другими советскими учеными. Как и 1-е издание, настоящая книга ни в коем случае не претендует на полноту или приведение исчерпывающих данных. За этими данными следует обращаться к обзорам1 основных отечественных работ в области механических свойств и к статьям и специальным монографиям. Ссылки на эти работы даются в тексте, а библиография приводится в конце каждой главы.


1 H. Н. Давиденков, «Заводская лаборатория», 1947, № 11; Инженерный сборник, 1948, № 1; В. Д. Кузнецов, Физика твердого тела, т. V. Томск, 1949.
Сборники: «Русские ученые-металловеды», Машгиз, 1951, «Д. К. Чернов и наука о металлах», Металлургиздат, 1950 и «Д. К. Чернов», Машгиз, 1950.


Несмотря на существенную переработку и дополнения, основные принципы 1-го издания остались без изменения: стремление к изложению сущности основных зависимостей и закономерностей, рассмотрение механических свойств по возможности в тесной связи с условиями испытания и структурным состоянием материала с учетом взаимопереходов из хрупкого в пластическое состояние.

В настоящее издание добавлены четыре новые главы внутренние напряжения, их измерение и регулирование (гл. IX), микромеханические испытания, включая микротвердость и изучение структурных изменений при деформации (гл. XIII), чувствительность к надрезу при однократном нагружении (гл. XIV) и высокопрочные сплавы (гл. XIX).

Многие положения, развитые в 1-м издании этой книги, получили дальнейшее распространение и применение.

К таким положениям следует отнести:

1. Развитые на основе работ Н. Н. Давиденкова представления о двух видах разрушения: отрыве и срезе и вытекающее из этих представлений объединение основных теорий прочности, как описывающих три вида нарушения прочности для данного материала: текучесть и срез (например теории III или IV) и отрыв (например, теории I или II).

2. Связь переходов от отрыва к срезу и обратно с соотношением касательных и растягивающих напряжений и с взаимным соотношением свойств материала (предела текучести, сопротивлений срезу и отрыву); зависимость «мягкости» и «жесткости» напряженного состояния также и от свойств материала, например, растяжение — мягкое напряженное состояние для меди, но жесткое для чугуна. Отсюда же вытекает необходимость двух основных направлений: раздельное изучение закономерностей хрупкого и вязкого разрушения.

3. Существование с известными ограничениями обобщенной кривой деформирования, заканчивающейся при вязком разрушении (при «мягких» напряженных состояниях) срезом.

4. «Преждевременный» обрыв обобщенной кривой при малопластичном разрушении, тем более ранний, чем «жестче» напряженное состояние (при кручении позже, чем при растяжении; при сжатии еще позже, чем при кручении и т. п.).

5. Необходимость проведения четкого различия между свойствами элемента объема (или образца при однородном напряженном состоянии) и осредненными свойствами неоднородно деформированного тела («конструктивная прочность»).

Вместе с тем новые исследования, а также научные дискуссии1 показали, что многие положения учения о прочности, в том числе и часть тех, которые были изложены в 1-м издании, нуждаются в уточнении, исправлении или пересмотре.

1. Существование двух физически различных видов разрушения некоторыми учеными оспаривается (Н. П. Щапов, Е. М. Шевандин, М. В. Якутович и др.). Несомненно, что с учетом дискретного строения твердых тел для нескольких атомов трудно или даже невозможно различать отрыв и срез кристаллической решетки. Отрыв и срез — понятия для объемов, содержащих достаточно большое число атомов Только для таких объемов и применяются напряжения в смысле теории упругости. И эти макроскопические понятия вполне применимы и полезны не только для поликристаллов, но и для монокристаллов, свойства которых также выражаются в напряжениях. Это подтверждается, в частности, опытом современного металловедения по установлению двух различных видов закономерностей для хрупкого и вязкого разрушения (см. гл. XVIII).


1 См. «Вестник инженеров и техников», 1947, № 4 (начало), 1947, № 7, 1948, № 1, 1948, № 4; 1949, № 1; 1949, № 4 (окончание).
«Заводская лаборатория», 1949, № 2, 1951, № 2; 5, 7 и 8.
Известия ОТН АН СССР, 1950, № 4; № 9.


Однако разделение изломов на прошедшие путем отрыва и путем среза, достаточно ясное с макроскопической стороны, до сих пор трудно осуществить в большом числе практических изломов, в особенности комбинированных сложных разрушений, происходящих отчасти путем отрыва, отчасти путем среза. Может быть эта задача будет решена разработкой объективного микроскопического метода изучения поверхности изломов.

Объединение теорий прочности с учетом трех различных для данного материала видов нарушения прочности, во всяком случае с качественной стороны, оказалось достаточно полезным, как в учебно-методической работе, так и при решении ряда прикладных задач и в настоящее время нашло ряд практических применений. Что же касается количественных расчетов, то очевидно, что наложение сжимающих нормальных напряжений может повышать (а растягивающих — понижать) прочность (сопротивление текучести и срезу) и пластичность (максимальные сдвиги). Для прочностных расчетов это приводит к условиям типа Мора, для обработки давлением — к широкому применению прессовки, ковки в закрытых штампах и т. п. (С. И. Губкин). Даже если будет показано, что влияние нормальных напряжений проявляется в основном в зоне «предразрушения» (т. е. сводится лишь к ускорению или замедлению развития зародышевых трещин), все равно это влияние имеет практическое значение и должно быть учитываемо.

2. Характеристикой «жесткости» напряженного состояния, сопоставляя отношения α= tmax/Smax и η= tт/Sот (стр. 157), пользуются, учитывая, таким образом, зависимость «жесткости» от свойств материала. Однако отношение а не является единственной характеристикой вида нагружения (для чего нужно задать две величины — см. гл. I и гл. III) и не отражает влияния среднего давления, например, при сопоставлении между собой пластичности при одно- и двухосном растяжении. Величина а не учитывает также влияния неравномерности напряженного и деформированного состояния (градиента напряжений и деформаций).

В первом издании была осуществлена попытка разделения факторов, влияющих на механические свойства, следующим образом.

а) Факторы, изменяющие свойства материала (например, влияние температуры испытания при неизменном напряженном состоянии).

б) Факторы, изменяющие напряженное состояние при тех же свойствах материала (например, влияние надреза при постоянной температуре испытания).

При таком разделении предполагается, что свойства материала выраженные в обобщенных характеристиках (например на диаграммах механического состояния), не зависят от напряженного состояния.

Как указывалось в 1-м издании и подробно изложено ниже, независимость обобщенных свойств (tт, tк, Sот и т. д.) от напряженного состояния в ряде случаев не соблюдается и потому в полной мере указанное разделение провести нельзя. Однако для тех случаев, когда напряженное состояние мало изменяет обобщенные свойства указанное разделение может быть полезно (см. гл. V, стр. 157).

3. Утверждения (во всяком случае, в той форме, в какой они часто излагались до последнего времени) о строгом постоянстве при всех видах напряженного состояния «максимальных» или «октаэдрических» обобщенных кривых деформаций пластичных металлов, и в особенности о постоянстве конечных абсцисс этих кривых, т. е. максимального сдвига при вязком разрушении, должны быть уточнены и отчасти пересмотрены.

Как показывает современная теория пластичности1, даже малые пластические деформации (а особенно значительные, конечные) в общем случае являются функцией не только напряженного состояния в данный момент времени, но и всей истории механических воздействий, перенесенных образцом. Эта связь при изменяющемся напряженном состоянии подчиняется еще недостаточно изученным законам. Поэтому непосредственно связывать конечный результат пластической деформации (будь то «максимальные» или «октаэдрические» сдвиги) с одним определенным напряженным состоянием (как это делалось при построении обобщенных кривых) можно только в некоторых случаях, при определенных ограничениях (при простом пропорциональном нагружении, при не слишком больших деформациях, при неизменяющейся структуре и т. п., см. гл. III). Если эти ограничения не соблюдаются, то характеристики деформации, изучаемые в качестве обобщенных свойств материала, должны учитывать влияние характера нагружения, т. е. последовательности различных предыдущих, а не только конечного напряженного состояния. Можно предполагать, что это влияние проявляется тем более резко, чем интенсивнее идет «порча» поверхностей скольжения. Вероятно, поэтому отклонения от постоянства обобщенных кривых у меди и других мягких сплавов гораздо меньше, чем у неравновесных (распадающихся при деформации) сплавов.

Будет ли установлена сходимость (постоянство) каких-то новых обобщенных функций напряжений с учетом всех факторов, ответственных за изменения механического состояния, покажут дальнейшие исследования. Пока же ясно, что измерения конечных сдвигов gмах или gn существующими методами не могут во всех случаях дать независимость от вида напряженного состояния даже в пределах сохранения разрушения путем среза и потому в главах III, IV и V внесены соответствующие исправления. Поэтому диаграммы механического состояния (гл. V, § 3), наглядно отображая переходы от отрыва к срезу и обратно, связанные с резкими изменениями пластичности, происходящими при этих переходах (ср. например фиг. V. 11 в настоящей книге), уже не могут количественно описать влияние напряженного состояния на пластические свойства при сохранении вязкого разрушения (среза), во всяком случае, до установления и введения в диаграммы лучших обобщенных характеристик пластичности, чем существующие, и учета начальных стадий разрушения.

4. «Преждевременный» обрыв кривой деформирования, повидимому, правильно отражает реальные процессы. На ряде неоднородных материалов этот обрыв проявляется весьма наглядно. Например, свинцовистые бронзы при растяжении дают отрыв и серый излом (по свинцу), а при кручении и сжатии — срез и красный излом (по меди). Однако у материалов с однородной структурой изучение «обрыва» затрудняется отсутствием метода изучения изломов, о чем говорилось выше.

5. Необходимость проводить различие между свойствами элемента объема или тела (при однородных напряженном и деформированном состояниях) и осредненными свойствами неоднородно деформированных образцов является бесспорной. К сожалению, до сих пор экспериментальное установление различных закономерностей нередко производится путем изучения свойств при неоднородном напряженном и деформированном состояниях, что может вести к существенно неверным результатам. Влияние неоднородности учтено в ряде случаев, в частности, в главах XI, XIV, XVI и XIX, где подчеркнуто различие между высокой прочностью элемента и высокой прочностью тела (детали) и, следовательно, возможность повышения сопротивления разрушению детали даже при постоянном сопротивлении разрушению элемента Sот, tк и т. д.


1 А. А. Ильюшин, Пластичность. Гостехиздат, 1948, стр. 115. Н. Н. Давиденков, Сборник трудов института строительной механики, АН УССР, Киев, т. 10, 1949, стр 3; см. гл. I и III настоящей книги.


Во 2-м издании сделана попытка провести разграничение между видимым началом разрушения (разрушением элемента объема или разрушением материала) и концом разрушения (разрушением тела, т. е. образца или детали). Такое различие, известное при изучении усталости (изучение кривых повреждаемости наряду с кривыми усталости — см. гл. XVII), лишь в последнее время стало учитываться при статических и ударных нагрузках, а также при «горячих» испытаниях1.

Учет местной деформации показывает, что многие случаи разрушения, кажущиеся хрупкими или малопластичными (при макроскопическом рассмотрении детали или образца в целом), являются в очень малых объемах пластичными. Методом накатанных сеток удалось доказать, что такая характеристика, как сужение сечения надрезанного образца, также оказывается усредненной, так как отражает лишь небольшую часть (порядка 1/3 и меньше) от максимальной пластичности.

Таким образом распространенная до последнего времени оценка среднего сужения надрезанного и полностью разорванного образца:

а) занижена, так как не учитывает неравномерности распределение пластической деформации;

б) завышена, так как, кроме пластичности до образования начальных трещин, оценивает также пластичность при «доразрушении» образца.

При таком «доразрушении» напряженное и деформированное со стояние могут сильно изменяться (см. гл. IV и гл. XI), так как изменение напряженного состояния вследствие влияния развивающейся трещины («местное» поле), накладываясь на неравномерность, существовавшую до образования трещины («общее» поле напряжений), может приводить к существенному усложнению картины деформации. С этой точки зрения, например, трактовка фиг. 43 в 1-м издании настоящей книги должна быть признана спорной, поскольку возможно, что зоны «отрыва» и «среза», показанные на этой фигуре, образовались не одновременно, а последовательно. Возможно, что многие эффекты наложенного гидростатического давления на сопротивление разрушению и пластичности объясняются влиянием давления не столько на возникновение начальных трещин, сколько на процесс их развития, т. е. опять-таки на процесс «доразрушения».

Очевидно, что совершенно недостаточно ограничиваться только макроскопическим изучением вопросов прочности. И внутренние напряжения, и анизотропия, и переход из упругой в пластическую область, и наступление разрушения, и ползучесть должны изучаться также и в микроскопическом и в субмикроскопическом масштабе. И если в настоящем издании это отражено недостаточно, — то прежде всего ввиду недостаточности развития физических и микромеханических методов. Последним посвящена гл. XIII. Пониженная чувствительность к надрезу у некоторых макроскопически хрупких образцов, вероятно, также связана с микроскопической пластической деформацией. Для неравно весных сплавов, а при «горячей» деформации почти для всех материалов необходимо учитывать структурные и фазовые изменения в процессе деформирования (работы А. А. Бочвара, С. Т. Кишкина и др.). Во многих случаях необходимо учитывать физико-химическое влияние окружающей среды, как коррозионное, так и обратимое по П. А. Ребиндеру. Эти вопросы кратко разобраны в гл. III, XV, XVIII и др.


1 См., например, П. А. Ребиндер, Труды Юбилейной Сессии АН СССР, 1947; В. И. Лихтман, Успехи физ. наук, 1950, № 2. Я. Б. Фридман и Т. К. Зилова, Доклады Академии Наук СССР, т. LXXIII, 1950, № 4 и 6.


При изложении работ и взглядов различных исследователей автор всюду стремился к объективности, особенно в тех случаях, когда эти взгляды и выводы отличались от его собственных. Как и в 1-м издании, автор пытался во многих случаях доводить изложение до практических выводов, сопровождая их примерами, взятыми из различных областей техники.

Некоторые из практических вопросов, например проблема оценки материала по его механическим свойствам вследствие своей сложности и недостаточной изученности, часто вовсе не излагаются в научно-технической литературе. В этой книге сделана попытка изложения также и ряда подобных вопросов, хотя многие из них еще очень далеки от полного решения.

Настоящая книга в значительной мере составлена на основе лекций, читанных автором студентам и аспирантам МВТУ им. Баумана, Московского Механического института и других институтов, а также работникам промышленности в 1933—1952 гг.

Принятые обозначения несколько изменены в соответствии с существующими стандартами, в частности, предел текучести обозначен ст, а потому сопротивление отрыву обозначено символом S0T.

Несмотря на тщательную работу, и в настоящем издании вероятно окажутся ошибки, неточности и другие пробелы, за указание которых автор заранее приносит свою благодарность.

Как и в 1-м издании, автор в большой мере опирался на глубокие исследования и на многие личные советы Н. Н. Давиденкова, идеи которого оказывают столь большое влияние на современное учение о прочности и пластичности.

При подготовке рукописи к печати были учтены ценные советы и замечания со стороны С. В. Серенсена. Отдельные вопросы обсуждались с П. А. Ребиндером, С. Т. Кишкиным, Л. А. Гликманом, Т. К. Зиловой, Л. М. Певзнер, Я. М. Потак, Н. Д. Соболевым, В. А. Бабичковым, Ф. Ф. Витманом и другими учеными и работниками промышленности. Т. А. Володиной и Е. П. Старовой была проведена большая работа по подготовке к печати 2-го издания. Постоянная помощь и внимание со стороны М. Б. Рождественской много способствовали выполнению работы. Автор выражает всем указанным лицам свою искреннюю благодарность.

Назад, на страницу описания