Рис. 2.20. Распределение растягивающих напряжений по сечению детали с трещинами разных параметров на поверхности и в объеме детали
Их негативное влияние на прочность детали проявляется в 2-х аспектах. Во-первых, наличие трещины уменьшает оставшееся, т.н. "живое" сечение детали, из-за чего увеличиваются средние напряжения по сечению:
Где номинальные напряжения в сечении детали площадью F без концентраторов напряжений под действием нагрузки Р.
Анализ приведенной формулы показывает, что напряжения в месте концентрации могут в десятки и сотни раз превышать номинальные значения при . Если будет выполнено условие:
То трещина начнет «раскрываться» - увеличиваться в размерах. Это, естественно, приведет к уменьшению общего сечения детали, резкому возрастанию в ней средних напряжений и ее быстрому разрушению. Результатом такого негативного развития событий может стать внезапный отказ СТС (авария) с возможными людскими жертвами.
Описанные выше изменения строения материала в микрообъемах в дальнейшем могут перейти в нежелательные макроизменения:гофрированию листов обшивки корпуса (образованию "складок"), его "растяжке", образованию вмятин, изменению формы деталей СТС и т.п.
|
|
Именно поэтому важнейшей задачей проводимых судовыми механиками ППО и ППР (планово-предупредительных осмотров и ремонтов) является своевременное обнаружение таких изменений, особенно трещин, в корпусе судна и ответственных деталях СТС и принятие мер по их устранению или предотвращению развития. Для этого концы трещины засверливают сверлом диаметром 8... 10 мм, что позволяет резко снизить концентрацию напряжений.
К этой же категории средств защиты от распространения трещин принадлежит используемый при постройке корпуса судна принцип создания т.н. "барьерных" швов.
Характер теплового движения частиц в кристаллах.
В рассмотренных ранее моделях твердых шаров была представлена статическая картина расположения атомов в кристаллах (см. рис. 2.5). На самом деле частицы, участвуя в тепловом движении, постоянно колеблются относительно положения равновесия с амплитудой, возрастающей с повышением температуры кристалла и достигающей до 5...7 % от статического расстояния между ними. Попытаемся объяснить этот факт с позиций физики твердого тела, трансформировав приведенную ранее зависимость свободной энергии G от расстояния между частицами в кристалле (рис. 2.21). Несколько упрощая картину, можно утверждать, что ее минимум О0 соответствует дну потенциальной ямы при температуре То = О К, а период решетки - а0.
При нагреве энергия колеблющихся атомов и интервал возможных значений периода кристаллической решетки возрастают. Так, при температуре Т1 он составляет . В то же время среднее значение периода a1ср, фиксируемое, например, при рентгеноструктурном анализе, оказывается больше а0. Это связано с асимметричностью кривой изменения свободной энергии — силы отталкивания при перекрытии электронных оболочек атомов оказываются значительно больше совместного действия сил кулоновского и гравитационного взаимодействия (см. п. 2.2.1).
|
|
Колеблющиеся частицы взаимодействуют со своими соседями, в результате чего колебания передаются от частицы к частице в виде волн, несущих тепловую энергию. Механизм этих тепловых колебаний аналогичен механизму звуковых волн, поэтому их относят к группе акустических волн. Диапазон частот тепловых волн очень широк - 102...1013Гц, а скорость распространения равна скорости звука. Их энергия квантована, измеряется в фононахи рассчитывается в соответствии с законом М. Планка:
E = h-v,
где Е - энергия фонона, h - постоянная Планка, v - частота тепловых колебаний атома (молекулы).
Наиболее важными для техники (в том числе и для морского транспорта) последствиями тепловых колебаний частиц в твердых телах являются:
• изменение геометрических размеров деталей;
• повышение диффузионной подвижности атомов;
• интенсификация коррозионных процессов;
• понижение прочности материалов.