Порошковое материаловедение. Часть 1. Основы теоретического материало

Единой методики определения критической температуры не существует, а наиболее распространенными являются следующие критерии:

–средняя температура интервала падения ударной вяз-

кости;

–температура, при которой определенная доля (чаще всего половина) площади излома становится кристаллической;

–температура достижения ударной вязкостью некоторого минимального значения, например 200 кДж/м2.

Установлено, что температура вязко – хрупкого перехода

ТK не является константой данного материала, а зависит от

условий испытаний и, в частности, от остроты надреза, толщины образца и скорости нагружения.

Необходимо отметить, что критическую температуру вязко – хрупкого перехода нельзя рассматривать как температуру безопасной эксплуатации конкретных конструкций. Ее можно использовать только как критерий для расположения материалов в качественный ряд по их сопротивлению хрупкому разрушению.

Процесс разрушения образцов при ударных испытаниях схематично можно разделить на две стадии: зарождение трещины и последующее ее развитие. Ударная вязкость, определяемая на образцах с надрезом, дает сведения об интегральной величине работы, затраченной на разрушение, т.е. определяется как сумма работы зарождения и работы распространения трещины ан = аз + ар.

В связи с тем что трещины и различные дефекты присутствуют в материале любой конструкции, аз и ар не равно-

значны при оценке работоспособности материала. Если рассмотреть две стали, имеющие одну ударную вязкость ан, но

различные по величине составляющих аз и ар, то они будут иметь различную склонность к хрупкому разрушению. Сталь,

141

которая имеет большую работу зарождения трещины аз и низкую работу развития трещины ар, характеризуется малой

надежностью при работе в конструкциях, т.е. ее разрушение может произойти при невысоких напряжениях вследствие раскрытия уже имеющегося в материале дефекта. Поэтому работа распространения трещины аР является определяю-

щей характеристикой при оценке сопротивления материала разрушению по сравнению с полной работой разрушения образца ан.

Для разделения ударной вязкости на составляющие было предложено несколько методик.

Б.А. Дроздецкий и Я.Б. Фридман предложили наиболее простую методику определения работы развития трещины ар.

Они рекомендуют проводить испытания на статический и ударный изгиб образцов с заранее нанесенной усталостной трещиной. В этом случае работу зарождения трещины аз мож-

но считать приближенно равной нулю, а полученные значения представляют работу развития трещины ар.

Испытания образцов с заранее нанесенной усталостной трещиной следует признать более корректными, так как многими исследователями было отмечено, что порядок расположения материалов по их сопротивлению хрупкому разрушению может меняться в зависимости от остроты применяемого надреза.

Испытания по определению работы распространения трещины, так же как и серийные испытания на ударную вязкость при различных температурах, позволяют лишь частично решить проблему оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению.

Все вышерассмотренные способы позволяют лишь качественно оценить склонность материалов к хрупкому разрушению и не дают количественных характеристик, которые можно было бы использовать при расчете конкретных конструкций.

142

Дальнейший прогресс в области оценки конструктивной прочности материалов связан с применением критериев механики разрушения.

Критерий разрушения, введенный Гриффитсом, основан на энергетическом подходе к процессу разрушения, согласно которому трещина будет распространяться самопроизвольно без подвода энергии извне, если рост поверхностной энергии при увеличении длины трещины будет компенсироваться уменьшением свободной упругой энергии, запасенной телом.

Теория Гриффитса получила развитие в работах Дж.Р. Ирвина и Е.О. Орована.

Дж.Р. Ирвин и Е.О. Орован показали, что некоторые материалы, проявляющие себя как весьма пластичные при стандартных испытаниях на растяжение, при испытании с трещиной разрушаются по квазихрупкому механизму, т.е. пластическая деформация сосредоточивается в очень узком слое около поверхности трещины, что происходит вследствие высокой степени стеснения пластической деформации у вершины трещины, где преобладает объемное напряженное состояние. Для таких материалов можно считать, что справедливы выводы механики разрушения.

В 1957 году Дж.Р. Ирвин показал, что силовой и энергетический подходы к проблеме прочности тела с трещинами эквивалентны, и уравнение Гриффитса можно использовать при оценке прочности квазихрупких материалов, если ввести вместо поверхностной энергии работу пластической деформации у вершины трещины:

где Р – сумма работы пластической деформации в поверхностном слое трещины и поверхностной энергии.

143

Соотношение (127) может быть записано так:

Энергия, необходимая для создания единицы длины трещины,

Коэффициент K1C получил название вязкости разрушения

материала. Для пластин, имеющих конечные размеры, его рассчитывают по формуле

где f(a/b) – корректирующая функция, учитывающая конечную ширину пластины, равную b.

В настоящее время разработано несколько численных и экспериментальных методов определения функций f(a/b) для конкретных образцов.

Основное преимущество методов механики разрушения перед другими известными способами оценки конструктивной прочности состоит в том, что параметры вязкости разрушения материалов можно использовать для расчета несущей способности элементов конструкций с трещинами или другими трещиноподобными дефектами.

Зная вязкость разрушения материала K1C , можно рас-

считать разрушающее напряжение конструкции с трещиной определенной длины или установить максимальный допустимый размер трещины при заданных рабочих напряжениях. Поскольку геометрия трещины, как правило, точно не известна и для большинства практических случаев не существует методики, которая в состоянии определить точно контур трещины, то принимают, что трещина имеет эллиптическую или полуэллиптическую поверхность.

144

Зависимость между коэффициентом интенсивности напряжений K1C и трещиной в форме эллипса с малой и большой полуосями а и с определяется следующим уравнением:

где σ – напряжение, действующее перпендикулярно к поверхности трещины; аC – критический размер дефекта;

грал второго рода.

Выражение (134) позволяет определить максимальное допустимое напряжение в конструкции, если известны свойства материала ( σ0,2 , K1C ) и максимальный возможный размер

дефекта. С другой стороны, если известны действующие напряжения в конструкции, используя формулу, можно рассчитать максимальный допустимый размер дефекта.

Таким образом, конструктивная прочность материала определяется двумя параметрами: σ0,2 и K1C .

В связи с этим оптимизацию состава материалов, технологических параметров их получения, режимов механической и термической обработок необходимо проводить, используя не только традиционные характеристики механических свойств σв, σ0,2 , σ, Ψ, ан, но и в обязательном порядке показатели

вязкости разрушения.

Список литературы к главе 6

1.Новиков И.И. Кристаллические решетки металлов. – М.: Металлургия, 1968. – 180 с.

2.Механические свойства материалов при повышенных температурах: пер. с англ. – М.: Металлургия, 1965.

145

3.Разрушение твердых тел: пер. с англ. – М.: Металлур-

гия, 1967. – 500 с.

4.Атомный механизм разрушения: материалы междунар. конф. по вопросам разрушения, апрель 1959 г., г. Свомпскотт (США): пер. с англ. – М.: Металлургиздат, 1963. – 600 с.

5.Физика прочности и пластичности: пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 304 с.

6.Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. – М.: Металлургия, 1977. – 359 с.

7.Прикладные вопросы вязкости разрушения: пер. с англ. –

М.: Мир, 1968. – 552 с.

146

147

148