Научное исследование. Основные элементы атомного энергетического реактора

ПОЗНАНИЕ – творческая деятельность, ориентированная на получение знаний о мире.
Формы познания (в зависимости от функционального предназначения, характера знания,
соответствующих средств и методов):
обыденное, мифологическое, религиозное, художественное,
философское и научное (ТЭС. Петербург: «Норинт», 2006. 2142 с.)

ЗНАНИЕ – информация, селективная (1), упорядоченная (2),
определенным способом (методом) полученная (3),
в соответствии с какими-либо критериями (нормами) оформленная (4),
имеющая социальное значение (5)
и признаваемая в качестве именно 3НАНИЯ.
определенными социальными субъектами и обществом в целом (6).

ИНФОРМАЦИЯ (лат. informatio – разъяснение, изложение, осведомленность) –
одно из наиболее общих понятий науки, обозначающее некоторые сведения,
совокупность каких-либо данных, знаний и т.п. c.580

ЗНАНИЕ оперирует с моделями, а не с реально существующими объектами.
Модель включает наиболее существенные, по мнению исследователя,
свойства исследуемых объектов (явлений, процессов, предметов).

3.4. Информация в составе знания может быть получена
– теоретически (классификация, аналогии, идеализация и т.п.)
– эмпирически (наблюдение, эксперимент, анализ архетипов, документов и т.п.)
с использованием некоторых критериев (количественных, качественных).

5. Информация в составе знания имеет социальное значение.

6. Информация становится ЗНАНИЕМ, если она признаётся в качестве ЗНАНИЯ
социальными группами и (или) обществом в целом.

ЗНАНИЕ по своему происхождению социально и психологично:
– первичная информация формируется органами чувство (ощущения);
– отбор значимой информации (отражение) зависит от потребностей, мотивации;
– реакция на значимую информацию (саморегуляция) от предыдущим опыта и знаний.

ЗНАНИЕ – суждение о некоторой части мира, сформированное на основе информации,
селективной, упорядоченной и полученной в соответствии с определёнными критериями;
имеющая социальное значение и признанная в качестве ЗНАНИЯ определёнными социальными группами.

СОЗНАНИЕ – высший уровень психического отражения и саморегуляции;
представлено непрерывно меняющейся совокупностью чувственных и умственных
образов, представленных во «внутреннем опыте» человека
и предвосхищающих его практическую деятельность.
Психология. Словарь/под ред. А.В. Петровского и М.Г. Ярошевского. М.: Политиздат, 1990. 494 с.)

Сознание в каждый момент может оперировать ограниченным количеством образов.
Любая модель должна и может осознаваться, если соответствует этому ограничению,
индивидуальному для каждого человека. Для взрослого объём оперативной памяти 7 ± 2.

n + m = 3, n – количество образов ( элементов совокупности);
m – количество связей между элементами;
Р = 2m/n – связность элементов.

ДИТЯ (1 год)

РЕБЁНОК (7 лет) n + m = 5

Для линейной схемы Р = 2m/n = 2(n – 1)/n < 2

Для линейной схемы при n + m = 9 получим Р = 2m/n = 2⋅4/5 = 1,6 2

n + m = 6
Р = 2m/n = 2

Р = 2m/n = 2⋅22/18 = 2,44

а и b – отношения, связи между противоположностями «1 – 2» и «3 – 4»

c, d, e – отношения, связи, осознаваемые
в данный момент

f – отношение, связь, не осознаваемая
в данный момент

Тетраэдрическая модель

При n = 4 число всех возможных связей m = 6 – это тетраэдр.

Для тетраэдрической модели сумма n + m = 10 связность Р = 2m/n = 3.

Для человека предельно n + m = 9, отбросив одну связь, получим Р = 2m/n = 2,5.

Модель научного знания тетраэдрическая
– максимально осознаваемая;
– открытая для развития

Знание в обучении представлено линейно,
осознание недостаточное , но открытое для развития

Деформация
– результат
смещения
атомов

Сухотин А.К. Превратности научных
идей. – М.: Мол.гвардия, 1991. – 271 с.
В отличие от религии, которая
всегда права, наука не права никогда,
потому что постоянно отменяет собственные результаты, замещая их новыми.

Фундаментальные научные исследования –
это экспериментальные или теоретические исследования, направленные на
получение новых знаний об основных закономерностях строения,
функционирования и развития человека, общества, окружающей природной среды.

Прикладные научные исследования – это исследования, направленные на применение
новых знаний.

Поисковые научные исследования проводятся с целью определения путей решения
научных и практических задач.

Разработка (ОКР) – это исследование, направленное на внедрение в практику
результатов фундаментальных и прикладных исследований.

Проблема ⇒ создание новых сплавов (разработка (?), поисковые; прикладные НИ и
фундаментальные (?)).

Обобщенная схема исследования (Кожухарь В.М.)

Выявление проблемы
Проблема (как осознанное значимое несоответствие действительного и желаемому, имеющегося и должного) может иметь непосредственное отношение к жизни общества , к производству, науке и научному сообществу, системе воспитания и подготовки кадров.

Проблема обусловлена как объективными (реальными потребностями сохранения и развития), так и субъективными факторами (ценностями, идеалами и т.п.).

Выявление и распознание проблемы направляются научной парадигмой.
Научная парадигма – это система понятий и основополагающих научных идей, которая
принимается сообществом учёных и обеспечивает их схемами проблем и
решений этих проблем. Научная парадигма исторична.

На основе научной парадигмы данной группы исследователей формируется
концепцией исследования – система основных положений и взглядов
на способ разрешения выявленной проблемы.

Методы разработки концепции

Дивергенция – расширение области исследования для обеспечения достаточного
пространства поиска, проблемного поля.
Методы дивергенции : обсуждение, анализ, визуализация проблемы; выявление
различных точек зрения и подходов к решению проблемы.

Трансформация — изменение представления о проблеме до наиболее приемлемого
для исследования.
Методы трансформации: классификация и выбор критериев классификации источников
и частей проблемы; уточнение структуры проблемы; ранжирование
источников и частей; установление взаимодействий источников и частей.

Конвергенция — целесообразное сужение границ предмета исследования.
Методы конвергенции: обосновывающие расчеты; проектирование и оценочные
эксперименты.

Искомую информацию можно “снять” только с вещей и явлений в процессе их испытания, функционирования в реальных условиях. Информационную базу исследования часто смешивают с объектом исследования.

Объекта исследования – определенные явления и процессы природного или
социального характера, отдельные свойства предметов, различных систем и т.п.

На основе концепции исследования определяются
объекта исследования;
предмета исследования;
цели исследования.

Научные факты — это факты, имеющие научную ценность, отражающие определенный способ восприятия действительности, дающие новое знание или понимание явлений.

Ошибки в работе с фактами:
– подтасовка;
– фальсификация;
– абсолютизация отдельных фактов (переоценка их значимости);
– искажение содержания;
– манипуляция (преднамеренный выбор таких, которые дают одностороннее представление о действительности).

Предмета исследования – взаимосвязи, закономерности функционирования и развития объекта исследования, по поводу которых требуется новая (недостающая) информация;
обобщающая структура исследуемого объекта или ее отдельные частные аспекты (частные структуры), условно обособленные механизмы жизнедеятельности объекта,
предопределяющие наблюдаемые свойства рассматриваемого объекта.

Для определения объекта, предмета и цели исследования необходимо осмыслить
ситуацию, нужно предварительно иметь о ней возможно полную информацию.

Разрыв герменевтического круга

Исследователь отыскивает в собственном или общечеловеческом прошлом опыте и научном знании близкое по своей сущности явление и переносит все известные ему знания о нем на новый объект исследования. Главное – найти «слабое» место!!!.

Оценочные эксперименты могут оказать решающее влияние на формирование
рабочей гипотезы и ход исследования.

Рабочая гипотеза
– гипотеза исследования, выдвигаемая первоначально на основе анализа уже известной
информации и научного знания; гипотеза является организующим началом исследования.

«Слабое место» – можно ли использовать расчётные модели и характеристики, которые
применялись для оценки прочностной надёжности стальных конструкций;
при каких условиях это допустимо?

Д.И. Менделеев. Заветные мысли.СПб.1903-1904. 285 с. “Умение из частностей доходить до вероятно справедливого,
а тем паче до достоверного или несомненно истинного и определяет существо научной самостоятельности”.

Требования к гипотезе:
– релевантность, т.е. соответствие фактам, на которые она опирается;
– проверяемость опытным путем, сопоставляемость с данными наблюдения или
эксперимента (исключение составляют непроверяемые гипотезы);
– совместимость с существующим научным знанием;
– возможность получения следствий и фактов, подтверждающих гипотезу;
– простота, никаких произвольных допущений. (Огурцов А.Н.)

Описательная гипотеза – это предположение о существенных свойствах объектов.
Объяснительная гипотеза – это предположение о причинно-следственных зависимостях.
Прогнозная гипотеза – это предположение о тенденциях и закономерностях развития объекта исследования. (Огурцов А.Н.)

Счет – нахождение числа, определяющего количественное соотношение однотипных объектов или их параметров.

Измерение – определение численного значения некоторой величины путем сравнения ее с эталоном.

Натуральное моделирование – создание натурного (физического) аналога исследуемого объекта (аналог по условиям функционирования, по размерам, по форме, по составу и структуре).

Сравнение – установление различия между объектами или сходства некоторых качеств объектов, осуществляемое при помощи органов чувств или специальных приспособлений.

Оценивание – вычисление значения величины, если ее измерение невозможно.

Натуральное экспериментирование (эксперимент) – процесс, при котором исследуемый
объект или его натуральная модель помещаются в определённые варьируемые условия
с целью оценки реакции объекта на изменение этих условий.
Однозначность методики , воспроизводимость, точность, рациональность, адекватность.

Метод – совокупность приёмов и операций

Разделы программы:
цель исследования;
содержание программы; актуальные и важнейшие подпроблемы;
парадигма и рабочая гипотеза решения проблемы;
основная концепция исследования;
ресурсное обеспечение;
предполагаемый результат показатели эффективности исследования.

На основе программы разрабатывается детализирующий её план.
План исследования — совокупность показателей, отражающих связь и последовательность
ключевых мероприятий (действий , процедур и т. д.), ведущих к полной
реализации программы и разрешению проблемы.
План исследования рассматривается в качестве организующего фактора
последовательного движения к цели исследования.

Х = Ас / R

Аксиомы теории размерностей

– физическая величина А не должна зависеть от выбора единицы её измерения;

Так как размерности правой и левой частей зависимости равны, то при
делении их на постоянную той же размерности можно получить
зависимость безразмерных величин.

Пример. Сопротивление проводника есть отношение напряжения к силе тока

Установление инвариантов – это задача науки,
решающей задачи на феноменологическом уровне,
т.е. отвечающей на вопрос «как происходит?»

Закон Ньютона F = ma.

Здесь m есть инвариант данного тела.

– математическое описание физического явления, определяющее
функциональную зависимость между численными значениями
физических величин, не зависит от выбора единиц измерения этих величин.

Инварианты явлений – это безразмерные величины, безразмерные комплексы.

Упругое деформирование

Закон Гука
Δl = С F

Податливость С есть
инвариант данного образца

Размерность С = м/Н

В инварианте С укажем, обособим геометрические
параметры l, A и характеристику материала X:

Δl = С F = F × f (l, A, X) (1)

Зависимость (1) содержит n = 5 размерных величин:

Δl , F , l, A, X;

и k = 3 основных единиц измерения: м, кг, с.

Постулируется создание (n – k) = 2
безразмерных комплексов:

К 1 = Δl / l = ε ;

К 2 = f (A, X, F) =?.

A. Вводим некоторые предположения, основанные на опыте:

1. Податливость С уменьшается при увеличении площади А

2. Для получения одной и той же деформации Δl образца большего

Б. Согласно теореме размерностей Р(F r) = Р(A s) × Р(Х)

Следовательно, (кг ·м/с2) r = м 2s × (кг t · м u · с v ) (2)

Из соотношения (2) запишем равенства показателей степени:

– для единицы измерения «кг» r = t

– для единицы измерения «c» 2r = v

– для единицы измерения «м» r = 2s + u

В. Предположим (?), что r =1

Получим t =1; v = – 2; 2s = 1 – u

Наименьшее значение s = 1 и тогда u = – 1

Размерность Р(Х) = кг / (м ·с2 ) = (кг ·м / с2 )/ м2 = Н/ м2

К2 = F / (A ; X) =  / X =  / Е

Закон Гука К1 = К2 ; ε =  / Е

сечения А необходимо увеличить силу F

tисп

ε = f (t), где t – время ,  = const, t°C = const

Запишем отношение «воздействие dt – реакция dε» в виде

dε = dt /Х, где Х – неизвестная характеристика материала

Так как dε - безразмерная величина , то Р(Х) = Р( t ), а Х = Сt

Соответственно, dε = dt /Х = dt / (С t);

ε = ∫dt / (С t) = (1/С) lnt + ε0 – логарифмическая ползучесть

ε0

Испытания проводят при различных  = const и получают ряд

значений ε за срок испытания tисп .

Следовательно, ε = f (i , t).

В безразмерное соотношение dε = dt /Х необходимо ввести /w,

где неизвестный параметр w имеет размерность Н/м2 .

Ранее было показано, что Р(Х) = Р( t ), а Х = Сt.

Соответственно, dε = (/w)m dt /(С t). (3)

А. Если в (3) w = inv, то ε = С2  m ln t + ε0 . (4)

По результатам испытаний при разных значениях i = const определяют
набор значений ε i.

Теперь отношение «воздействие– реакция» запишем в виде

1. dε = (/w)m dt /Х , где m – неизвестный показатель степени;

2. dε = exp(/w)m dt /Х .

Размерность Р(w) = Н/ м2 = Нм/ м3 = Дж/ м3 .

Если экспериментально получены зависимости (4), то w = inv.

Вывод. Данный материал сохраняет способность рассеивать энергию
деформирования в процессе ползучести.

При  = const и С = const из (5) следует, что wm × t = inv

Следовательно, с увеличением времени под нагрузкой w уменьшается.

Способность материала рассеивать энергию деформирования снижается.
В материале накапливаются различные повреждения (поры, трещины).

В этом случае отношение «воздействие– реакция» запишем в виде

В этом случае dε /dt = (/w)m dt /(С t) = const (5)

III. Ползучесть исследуется обычно в некотором интервале температур при Тi= const и интервале напряжений j = const.

где U0 , γ – параметры материала ; k – постоянная Больцмана

k = 1,38 ·10 -23 Дж(°С) -1

Вывод. 1. В соотношении (6) 9 величин при 3 единицах изменения, возможны 6 безразмерных комплексов – критериев подобия.

dε = exp [–(U0 – γ )/(kT )](/w)m dt/(Ct), (6)

2. Практически невозможно выполнить требование постоянства 6 безразмерных комплексов одновременно. Поэтому (6) следует использовать только для аппроксимации экспериментальных данных.

Воздействие на материал представим тремя величинами:

Е – энергия частиц, Мэв;

ϕ – плотность потока частиц, 1/см2 ;

dt – продолжительность облучения, с.

Реакция материала – относительное увеличение объёма ΔV/V.

Характеристика материала Х = Е ϕ dt / d (ΔV/V )

Тогда d (ΔV/V ) = Е ϕ dt / Х ,

где Р(Х) = Р (Е ϕ dt) = Мэв·с / см 2 = Р(w) ·Р(t) ·Р(l),

здесь w – энергия, диссипируемая единицей объёма;

Тогда зависимость определяющих величин представим в виде

d (ΔV/V ) = Е ϕ dt l / (w t) = [Е ϕ l /w] dt / t (8)

Соотношение (8) аналогично (3) и (5).

Выводы, полученные на основе (3) и (5), применимы и в данном случае.

l – линейный параметр, например, длина свободного пробега частиц

При испытании в интервале температур Тi= const и напряжений j = const.

t = t0 exp [(U0 – γ )/(kT )](/w) - m (7)

Вывод. Практически невозможно выполнить требование постоянства одновременно 6 безразмерных комплексов в (7). Поэтому (7) следует использовать только для аппроксимации экспериментальных данных.

i

Отношение «воздействие– реакция»:

1. Воздействие изменяет материал.

2. Реакция – то, что изменяется в материале.

Это время t действия напряжения  = const

Материал разрушается за время dt на dψ.

3. Характеристика Х = dt / dψ.

При очень малом времени t0 принять ψ0 = 0, а ψ = 1 (безразмерная) при t.

Тогда dψ = dt / Х = dt / (Сt),

∫dψ = ∫ dt / (Сt) ⇒ 1= (1/С )ln t/ t0 , t = t0expC.

В случае различных i = const запишем в безразмерной форме

t = t0 (/w) - m expC или t = t0 exp (- /w) expC

ψ < 1

ψ = 1

Предельному состоянию соответствует ∂ (W – Г) / ∂l = 0 (9)

Решение (9) для пластины

2l<< B

h << B

для пластины без трещины [2/(2E)]·BhH,

для пластины с трещины [2/(2E)]·(BhH - π· l ·2lh),

Энергия упругого деформирования:

освобождаемая энергия W = [ 2/(2E)]· π· 2 l2 h,

энергия на образование трещины Г = 2γ · 2lh .

Тогда ∂ (W – Г) / ∂l = [ 2/(2E)]· 4 π· l h - 4 γ h = 0,

критическое с = √2 E γ /(π l) – для плоского НС,

с = √2 E γ /[(1– ν2) π l] – для плоского ДС.

Критическая длина трещины lс = 2 E γ /(π 2)

Учитывая, что разрушающее напряжение с существенно зависит от длины трещины l , запишем отношение «воздействие- реакция»:

«воздействие» при мгновенном разрушении пластины с трещиной – это

«реакция» материала – это увеличение повреждённости на dψ;

Разрушающее с < т ⇒ в соотношение есть безразмерный комплекс /Е.

где безразмерны /Е; C и  l / X.

Р (Х) = Р [ l ] = Нм/ м2 = Дж/ м2 .

с2 l /(ЕХС) = 1,

напряжение  , длина трещины l и время dt;

Тогда dψ = (/Е)m ( l / X)n dt /(Ct);

X – это энергия образования единицы
площади трещины, или 1 м2

При m = 1, n= 1 и (dψ/dt ) t = 1 (при разрушение ψ =1) получим

с2 l/С = Кс2 = ЕХ,

где Кс= с √сlс –

критический коэффициент интенсивности напряжений (КИН)

К2/E = G – приток энергии в вершину трещины.

Условие прочности запишем в виде К = σ √сl ≤ Кс/[sс].

Метод расчёта К ?!?

Рост трещины не происходит,
если G ≤ Gс – критическое значение. По Гриффитсу Gс= 2γ.

Для ПДС (1 – ν2) КIс2 = EGIс;
Для ПНС Кс2 = EGс.

Методами теории упругости получены решения для концентраторов,

В 1957 г. (через 45 лет после Гриффитса) Дж.Р. Ирвин предложил считать, что

минимальный r = ρ – радиус зоны пластической деформации в вершине трещины;

при ρ << l и ρ <<(В – 2l) не учитывать влияние пластической деформации на напряжённое
состояние материала в области вне ρ.

1.max при θ = ± 60°

z= ν (x+ y ); τxz= τyz= 0

3. τmax= ½ 1(0°)= ½ 2(0°)
при θ = ± 90°

2. 1(θ)= 2 (θ) при θ =± 0°

1(90°)- 2(90°) = 2τmax

4. ЕpF = max
при θ = arccos1/3 ≅ ± 70°

r → ρ
θ → 0

1.Трещина отрыва

вводить при этом поправку на размер области пластической деформации.

у

y= KI /(2π rт)1/2 = т

⇒

для ПНС;

rт пдс= (1– 2μ) rт

⇒

для ПДС.

пластической деформации

равносильна увеличению длины трещины на rт .

Тогда KI рассчитывают при длине трещины l + rт :

с учётом поправки Ирвина.

Пластическое смещение δ в вершине трещины принимают равным

δ ≅ KI2/(Ет).

G = KI2/Е ≅ m т δ,

где m = 1 …3, учитывает упрочнение в результате
пластической деформации.

Вывод. Радиус пластической зоны rт , пластическое смещение δ и

интенсивность потока энергии G в вершине трещины зависят от

– напряжённости материала (KI);

– напряжённого состояния материала (ПНС или ПДС);

– сопротивления материала пластической деформации (т).

(3 = 0) на поверхности до всестороннего растяжения ( 3 > 0) в сердцевине.

Соответственно,

до

↓

при

t → ∞,

сопротивление разрушению уменьшается.

Эффект тоннелирования

1

2

3

1 – область вязкого разрушения сдвигом

(Кс↑ при t ↑);

2 – область смешанного разрушения

(Кс ↓ при t ↑);

3– область хрупкого разрушения

(Кс ≅ const при t ↑)

Кс → КIс

определения критического КИН KIс :

Протяжённости пластической зоны 2rт к толщине tг составляет

Вывод
Минимальная толщина образца должна быть в 8 раз больше диаметра пластической зоны.

Ширина стандартного образца с центральной трещиной b ≥ 8 t,

длина трещины 2l = (0,3 … 0,5) b.

Пример.

При 20°С критический КIс = 100 МПа⋅м1/2 стали 20 нормализованной, т = 270 МПа.

Таких испытательных машин нет!!!

tг≥ 2,5 (KIс /т )2 .

1/8.

tг≥ 2,5 (KIс /т )2 = 2,5(100/270)2 м = 0,34 м = 340 мм (!?!)

В данном случае b ≥ 2720 мм и 2l ≅ 1000 мм;

Требуемое усилие порядка 160 Мн, или 16⋅106 кГс.

площадь поперечного сечения ≅ 0,585 м2.

Внимание.

При расчёте деталей из стали 20 толщиной стенок 30 мм

использование КIс приведёт к необоснованному

завышению требований к размерам трещин или

занижению допускаемых напряжений.

или GIс = 5 Дж/ см2.

Ширина стандартного образца с центральной трещиной b ≥ 8 t= 60 мм,

длина трещины 2l ≅ 20 мм, площадь поперечного сечения ≅ 300 мм2.

Пример

При 20°С критический КIс = 92 МПа⋅м1/2 стали Н18К9М5Т при т = 1670 МПа.

tг≥ 2,5 (KIс /т )2 = 2,5(92/1670)2м = 0,0076 м = 7,6 мм.

В данном случае

Требуемое усилие всего порядка 50⋅103 кГс.

Линейная механика разрушения применима,

Внимание

если tг≥ 2,5 (KIс /т )2 с учётом поправки Ирвина на длину трещины.

Считается корректным применение линейной механики разрушения, если

Если  > 0,8 т , то применяют методы нелинейной механики разрушения,

критическое напряжение в сечении с трещиной не более 0,8 т .

Для сравнения: KCU ≥ 50 Дж/ см2 стали 20.

В этом случае распространение трещин контролируется КИН, а критический КИН = КIс .

основанные на использовании теории пластичности.

Сталь Н18К9М5Т ( ≤ 0,03%С, ≈ 0,7% Ti) мартенситностареющая.

Закалка 850°С (0,2 ≈ 1100 МПа, KCU ≈ 200 Дж/ см2)

+ отпуск 500°С (0,2 ≈ 2000 МПа, KCU ≈ 40…60 Дж/ см2 при - 40 °С).

при температурах от – 269 °С до + 600 °С.

- при сравнении вариантов состава и структуры сплавов, технологических процессов;

- при расчётах на прочность элементов конструкций с трещинами;

- при обосновании способов контроля и выбора материалов машин и конструкций;

- при анализе причин аварий и разрушения конструкций.

ХТС используют

b не менее 50 мм

D не менее 50 мм

Стандартные образцы

t не менее 12 мм

t не менее 10 мм

Критические Jc и JcI определяют на образцах 3 и 4.

Испытание образцов

Измерение смещений υ и погибов f

производится двухконсольным тензодатчиком.

Разность показаний прямого и обратного хода
рабочего диапазона диаграммы до 2%..

Скорость нагружения на линейном участке

диаграммы (0,5 ÷ 1,5 )МПа⋅м1/2 с-1.

Масштаб по оси К диаграммы не менее 50:1,

по оси υ или f – не менее 25:1.

Тангенс угла наклона линейного участка
диаграммы в пределах от 1 до 3.

III тип

PC

IV тип

PC

определяют длину усталостной трещины

как среднее арифметическое трёх измерений

поверхности плоского образца.

на расстоянии 0,25t, 0,5t, 0,75t от внешней

Для цилиндрических образцов определяют

максимальное и минимальное значение диаметра;

если разность более 10%, отбраковывают.

В случае разрушения образцов

По II, III или IV типу

необходимы дополнительные

нескольких образцов с замером

подрастания трещины при испытании.

КQ = [PQ / (tb1/2)] ⋅ Y1 – для образцов типа 1 ;

КQ = [PQ /D3/2] ⋅ (Y2′ + Y2′ ′ ) – для образцов типа 2 ;

КQ = [PQ / (tb1/2)] ⋅ Y3 – для образцов типа 3;

КQ = [PQ L/ (tb3/2)] ⋅ Y4 – для образцов типа 4 .

Значения Y1 , Y2 ′, Y2′ ′ ,
Y3 , Y4 табулированы.

Допускается поправочные функции вычислять по формулам:

Y1 = 0,2369 [1 + 6,627 (2l/b)];

Y2 ′ = 4 [1 – 1,0179 (d/D)]; Y2′ ′ = 3,1 (2s/d) при 2s < 0,08 d;

Y3 = – 5,219 [1 – 5,739(l/b)];

Y4 = – 1,555 [1 – 5,456(l/b)].

s – расстояние между центром поперечного сечения и центром излома

2. Вычисление критического КIC по тем же формулам для КQ по следующей схеме:

по КQ и σт рассчитывают критического значение толщины образца tPK = βK (КQ / σт)2,

βK = 2,5 для сталей, алюминиевых, титановых и магниевых сплавов, βK = 0,6 для чугуна;

принимают КIC = КQ, если РC ≤ 1,1 РQ (или РC ≤ 1,1 РD)

и если выполняется одно из двух неравенств:

1) tPK /t ≤ 1 и ϕC = [(t – tC)/ t] ⋅ 100% ≤ 1,5%, где tC – средняя толщина в зоне разрушения;

2) υС ≤ 1,2 υQ или υС ≤ 1,2 υ D ; для цилиндрических DPK /D ≤ 1 и dPK / d ≤ 1.

для цилиндрических образцов DPK = 2,3 (КQ / σт)2, dPK = 1,6 2,3 (КQ / σт)2.

пластическую деформацию в вершине трещины) определяют в зависимости от σС0 /σт.

4. Критический КИН КQT при нагрузке РQ и длине трещины lT (с учётом поправки на

Вычисляют значение КQ по формулам для КИН, если σС0 /σт < 0,8 ;

Вычисляют по полученному КQ значение расчётной длины (полудлины) трещины lT :

Значение σС0 вычисляют по формулам:

σС0 = РQ / [(b – 2l) t] для образцов типа 1;

σС0 = 4РQ / (π d2) для образцов типа 2;

σС0 = РQ [1 + 3(b + l)/(b – l )] /[(b – l) t] для образцов типа 3;

σС0 = 6РQ b / [(b – l 2) t] для образцов типа 4;

1) lT = l + (КQ /σт)2/(γπ) для плоских образцов, где γ = 210 t* + 1,8 при t* = 1⋅10-3 …20 ⋅10-3 и

γ = 6 при t* > 20 ⋅10-3 (t* – безразмерное значение, численно равное толщины образца в м).

2) dT = d – (КQ /σт)2/(3π) для цилиндрических образцов.

5. Критический КИН КС при данной толщине (или диаметре) образца рассчитывают

по формулам КИН КQT с заменой РQ на РС , если σС0 /σт < 0,8 .

Вычисляют значение КQT по формулам КИН, заменяя l на lT (или d на dT).

при – 100 t °С KIс = 42 МПа⋅м1/2 и tг = 17мм.

Сталь 20ГНМ, т = 500 МПа при 20°С.

При + 20 t °С tг = 225 мм; KIс = 150 МПа⋅м1/2;

По формуле

находят разрушающее напряжение 

при данной длине трещины l и t °С.

Расчётные значения даны на рис. б.

Сравним значения разрушающего напряжения  при рабочей температуре – 40 t °С,
KIс = 55 МПа⋅м1/2 и т = 520 МПа

- при l = 3 мм хрупкого разрушения нет;

- при l = 10 мм хрупкое разрушение имеет место  = 0,6 т ;

- при l = 50 мм хрупкое разрушение имеет место  = 0,28т = 140 МПа < [] = 250 МПа (!)

Допускаемые значения характеристик принимают одним из двух способов:

- по условию sK = KIс / KI ≥ [sK] определяют допускаемое значение длины трещины

данного материала [l] = (KIс / [sK])2 : (π 2); в условиях эксплуатации должно быть l ≤ [l];

по условию sl = lс/ [l] ≥ [sl], где [l] – конструктивно допустимая длина трещины,

определяют требуемое значение критической длины трещины материала [lс] = [l] ⋅[sl]

Пример. Разрушение шкворня подъёмных кранов.

KIс = 90 МПа⋅м1/2;

- диаметр цилиндра d = 600 мм, D = 720 мм, толщина стенки t = 60 мм; р = 400 атм.

- при KIс = 1,26√ πl = 90 МПа⋅м1/2 разрушающее напряжение с = 233 МПа;

- расчётное давление при разрыве цилиндра р с = с (D2 – d2)/ (D2 +d2) = 47 МПа = 412 атм;

при ковке заготовки.

- или недостаточная прочность цилиндра.

Возможные причины: - отказ системы аварийного сброса давления;

Расчёт.

- материал цилиндра сталь 30ХНМ; по справочным данным с т ≥ 600 МПа,

Сбор информации.

- разрыв произошёл вдоль образующей цилиндра;

в изломе отчётливо видна исходная трещина глубиной l = 30 мм и длиной 150 мм

со следами остановок на поверхности исходной трещины.

Вывод.

- запас статической прочности s = т /  экв = 600/307 = 1,95 ≅ [s];

- эквивалентное напряжение экв = 2р D2 / (D2 – d2) = 307 МПа.

- значение р с всего на 3% превышает максимальное давление мультипликатора.

Вероятно, разрушение произошло в результате удара по заготовке, температура

которой несколько ниже минимальной температуры ковки.

Прочность цилиндра по условию sl = lс/ [l] ≅ 1,06 << [sl] = 5 недостаточна.

для образцов типов 1 и 2;

для образцов типa 3;

для образцов типa 4;

z – расстояние между торцовой поверхностью образца и кромками накладных опорных
призм

(практически равно толщине накладных опорных призм).

если оба контура Г1 и Г2 проходят в упругой области деформирования.

поток энергии в вершине трещины.

В общем случае пластического деформирования вблизи вершины J 1 = ⏐J2⏐,

Следовательно, по изменению J – интеграла можно определить энергию, расходуемую

Критерий разрушения формулируется следующим образом:

трещина распространяется , если J достигнет критического значения, т.е. J = Jс .

1. В случае хрупкого разрушения (σс ≤ 0,8σт) JIс = G Iс; для ПДС (1 – μ2 )КIс = Е JIс,

Однако критерий разрушения в виде J = Jс сохранили.

на пластическую деформацию и разрушение при распространении трещины.

что эквивалентно критерию Ирвина.

2. Для тонкой пластической зоны δс – модели предельное значение Jс = σ0 δс .

Использование критерия J = Jс возможно только при наличии экспериментально

определённых значениях Jс или JIс , т.к. они зависят от условий нагружения и образца.

3. При пластической деформации по объёму образца J – интеграл не характеризует

4. Расчётное значение J определяют по формуле Дж. Райса: J = – δU/ δl,

где δU – вариация потенциальной энергии системы сил

(поверхностных и упругого деформирования)

при увеличении трещины на δl.

заключённую между линией диаграммы от т.О до т.С и прямой, проведённой

Вычисляют работу АPC , соответствующую «пластической» части диаграммы.

параллельно линейному участку диаграммы до пересечения с осью υ (или f).

– для образцов типа 3;

Значения JС – интеграла вычисляют по формуле

где l – исходное значение длины трещины;

χ = 2 + 0,522 (b – l)/ b ;

k = 1 + rV / [l + 0,1(b – l)] ; rV = 0,25 b + z

1. Если подрост трещины для разрушенного образца Δ l ≤ 0,3 мм при t ≤ 30 мм или

Δ l ≤ 0,01t при t > 30 мм , то определяют по диаграмме значение АPC и вычисляют JС

2. При испытании серии образцов при различных υi ≤ 0,9 υPC определяют

– Δ li для каждого образца при данном значении υi ;

– значение работы АР i (рис. г) для каждого образца при данном значении υi .

– значение J i для каждого образца при данном значении Δ li ;

( при расчёте по формуле для JС заменяют JС на Ji , АPC на АР i и РC на Рi ).

χ = 2; k = 1 – для образцов типа 4.

2. Если не более 2-х точек находятся правее линии O4N4 и не менее точек в разных

S и ΔF – соответственно, длина контура и площадь статически подросшей трещины:

S = 4 [(Δ l3 – Δ l)2 + (t/4)2]1/2 и ΔF = Δ l t,

1) строят прямую ON , вычисленную по формуле

J = (σт + σв) Δ l при t ≤ 30 мм,

J = (σт + σв) Δ l/ t при t > 30 мм;

2) проводят через стандартные точки Δ l (или Δ l/t)

остальные прямые O i N i (см. рис.);

3) наносят на схему парные точки Ji – Δ li .

Ограничения

1. Если не менее 4-х точек оказались в интервале

O1N1 – O4N4 и в каждом интервале не менее одной точки,

через эти точки проводят прямую ММ и определяют JС .

интервалах левее линии O4N4, то для точек правее линии O4N4 вводят коррекцию

Δ l3 – подрост усталостной трещины в срединном сечении образца, Δ l – средний прирост.

3. Принимают JС = J1С , если tPJ / t ≥ 1, где tPJ = βJ JС / (σт + σв);

βJ = 200 при σт /σв< 0,6 и βJ = – 375(σт /σв) + 425 при σт /σв≥ 0,6.

Допускается расчёт
J1С = К21С (1 – μ2)/Е

Испытание с остановкой трещины отрыва по ESSO

– 196°С

t°С

tSOD°С
– минимальная t°С
распространения
трещины, но
не по всей ширине образца.

Редукционистский (аддитивный) используется, если есть достаточные основания полагать,
что свойства целого сводятся к сумме свойств составляющих его элементов.

Комплексный ориентирует на необходимость рассмотрения объекта во всей его полноте,
в совокупности всех его составляющих.

Системный предполагает исследование объекта как системы.

Ситуационный предполагает рассмотрение функционирование объекта в зависимости от
конкретной ситуации (совокупности внешних и внутренних условий).

Принципы системного подхода
1. Целостность (холизм) объекта.
2. Иерархическое, функционально-структурное строение объекта:
– определение функциональное назначение каждой составляющей объекта;
– обусловленность процесса функционирования объекта не столько свойствами
его отдельных частей, сколько свойствами самой структуры объекта, т.е
взаимодействием частей строения;
3. Совместимость частей объекта, как способность части соответствовать своему
положению и функциональному статусу в составе объекта

Мыслительно-логические
методы исследования

Общенаучные методы исследования

Исторический акцентирует внимание на тенденции развития, преобразование объекта.

Логический (структурный) в противовес и дополнение к историческому акцентирует
внимание исследователя не на строго фактологолической стороне развития
объекта исследования, а на логичности этого развития,
на случайности некоторых факторов его генезиса.

Механистический ориентирует на исключительно причинно-следственные связи в объекте.

Прагматический направляет исследование не столько на поиск теоретических основ и
объяснений изучаемого явления, сколько извлечением из результатов исследования
наибольших выгод для пользователя.

Нормативный (прескрептивный) ориентирует исследователя на сравнение
действительности с предписанным нормативными документами порядком вещей.

Принципы диалектического подхода:

1. Движение и развитие.
2. Объективность.
3. Учет противоречивости; предписывает вскрывать противоречия как движущую силу всяких изменений
4. Проверяемость практикой.
5. Относительность: предписывает выяснять границы, в пределах которых
действительны свойства объекта
6. Взаимодействие частей объекта

Результат – теоретическая модель; нет оснований считать, что дальнейшее развитие этой модели соответствует некоторой области действительности, реальным объектам.

2. Понятие — мыслительный объект, отражающий существенные и необходимые (неотъемлемые) признаки предмета (явления); результат обобщения суждений.

1. Суждения – утверждения о связях и отношениях между образами, возникающими
при воспоминании или конструировании исследуемых объектов.

3. Гипотеза — подлежащая обоснованию система понятий и суждений о существенных связях и отношениях, определяющих существование и развитие исследуемого объекта

Формализация — отображение объекта или явления в знаковой форме какого-то искусственного языка (математики, химии и др.) с целью исследования реальных объектов и их свойств через формальное исследование соответствующих знаков.

Классификация— разделение некоторого множества объектов на группы (классы) в соответствия с общностью и различием (общим и специфическим) свойств, связей и отношений.

Обобщение (индуцирование) — обоснование на новом уровне знания более широкого по объему нового понятия, отражающего общность свойств нескольких групп объектов.
Обобщение возможно, если выявлено свойство, позволяющее сгруппировать объекты, прежде признаваемые принадлежащими разным группам (классам).

Мыслительно-логические методы исследования

несколько порядков меньше размеров зерна металла.

где n – показатель степени, 2 ≤ n ≤ 8.

где Х – характеристика материала, Р⏐Х ⏐= Н/м2 = Дж/м3.

Скорость роста трещины (прирост на цикл) на

V = СК n – уравнение Пэриса – Эрдогана,

Уравнение v = СК n не удовлетворяет
правилу размерностей.

1

Удельная работа Х = f(σ, ε).

εf – пластическая деформация микрообъёма в вершине

трещины в последнем для него цикле нагружения;

Х f – работа разрушения микрообъёма в вершине

трещины в последнем для него цикле нагружения;

Упрощённо можно принять Х f = σтεf .

Инвариантом разрушения может быть Х f или εf .

Предпочтительнее εf = idem, т.к. εf – безразмерная величина.

в котором образовалась субмикротрещины;

rf равен шагу трещины малоциклового разрушения

на линейном участке диаграммы МЦР.

rT – радиус зоны пластической деформации в вершине;

Примем, что ε = εт (rT /r) 1/q , где q – любое число, одинаковое для подобных процессов;

ε – деформация материала вблизи вершины трещины.

тогда деформация ε Ц = 2εт = εт (rT /rЦ) 1/q ⇒ rЦ = rT /2q .

Для упругого материала q = 2 и rЦ = 0,25rT ; для идеально пластичного q = 1 и rЦ = 0,5rT .

Значение rf = rT (εт /εf ) q = [(K/σT )2 / (6π)]⋅ (εт /εf ) q .

K/σT = idem.

Тогда для подобия процессов необходимо при εf = idem выполнять условие испытания

Это условие выполнимо только при испытании геометрически подобных образцов и

равном для разных материалов отношении σ /σT .

Доказательство — установление некоторого суждения, посредством его вывода из других суждений, истинность которых полагается ранее установленной и независимой от данного доказательства.
Доказательство посредством подтверждения фактами и практической деятельностью (!?).

Дедукция (дедуктивное умозаключение) — выведением свойств составных частей исследуемого объекта из общих закономерностей, свойственных целому (объекту).

Индукция (индуктивное умозаключение) — выведением свойств исследуемого объекта
из свойств его составных частей.

Анализ — мысленно расчленение исследуемого объекта на составные части
для изучения каждой из них и выявления значения каждой части в существовании и функционировании всего объекта.
Основа анализа — абстракция.

Синтез — представлению исследуемого объекта как целого, хоть и состоящего из условно выделенных составных частей.
Основа синтеза — системное сведение частей к целому.

Интеллектуальное (абстрактное) моделирование — метод познания, опирающийся на символьные модели и абстрагирование.

Вычислительный эксперимента — один из способов реализации мыслительного эксперимента.

Виды доказательств:
— от определения ключевых понятий, максимально адекватных реальным явлениям и
практическому опыту;
— от обратного — доказательством истинности (корректности) первоначального
суждения является абсурдность противоположного суждения;
— на основе анализа соответствия свойств и структуры исследуемого объекта ;
— на основе классификации факторов, позволяющей выявить свойства объекта
исследования и причины его специфического поведения;
— аксиоматическое — на основе несколько бесспорных, понятных и разделяемых всеми
положений (аксиом), исходя из которых строится доказательство;
— фактологическое — на основе систематизации фактов;
— концептуальное — по выдвинутой рабочей гипотезе;
— экспериментальное — по результатам экспериментирования;
— по концентрации фактов — по накопление убедительных фактических свидетельств
истинности выдвинутого тезиса.

Типичные ошибки сводятся к подмене тезиса; понятий; количественных характеристик тезиса; модальности (вероятное выдается за действительное / достоверное).

Ценность качества, которого не хватает

R > 0

Чем выше ставлю инструментальную ценность, тем
меньше потребность в данном качестве

Чем выше потребность в этом качестве, тем ниже
оценка данного инструментальную ценность

Качества, недостающие в настоящее время

Качества

Инструментальные ценности

2. Наука – это результат такой деятельности – система полученных научных знаний.

3. Наука – это одна из форм общественного сознания, социальный институт; представляет собой систему взаимосвязей между научными организациями и членами научного сообщества, а также включает системы научной информации, норм и ценностей науки и т.п.

Понятие науки (А.Н. Огурцов)

Задачи науки:
1. Сбор, описание, анализ, обобщение и объяснение фактов;
2. Выявление законов движения природы, общества, мышления и познания;
3. Систематизация знаний;
4. Объяснение сущности явлений и процессов;
5. Прогнозирование событий, явлений и процессов;
6. Определение направлений и форм практического использования полученных знаний

Классификация наук в Российской Федерации дана перечнем ВАК
научных направлений, по которым осуществляется подготовка специалистов
высших научных квалификаций