книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов

ходный размер трещины существенно влияет на изменение кривых Р — т, а следовательно, и на механизм разрушения. Так, диаграм­ мы, записанные на образцах с небольшими размерами исходных усталостных трещин, что соответствует верхней части кривой

ат?у — свидетельствует о том, что разрушению материала об­ разца предшествовали значительные пластические деформации. В то же время диаграммы, записанные для больших длин трещин,

т. е. на более пологих участках кривой а^у — ^ (гДе длина трещи­

ны не оказывает существенного влияния на значения ДтИу), сви“ детельствуют о том, что разрушение происходит в упругой облас­ ти без заметных пластических деформаций.

Таким образом, при достижении в образце критической длины трещины для исследуемого материала значения удельной энергии разрушения стремятся к постоянной величине.

Фрактографический анализ стартовых участков изломов (на переходе от усталостных трещин к разрушению при ударе) по­ казал, что имеется определенной ширины зона вытягивания. Так, например, для стали ЭИ961 при исходной длине усталостной тре­ щины 2,3 мм зона вытягивания составляет в среднем 26 мкм. Увеличение длины усталостной трещины до 6,2 мм привело к рез­ кому уменьшению зоны вытягивания — до 6 мкм, а также к зна­ чительному падению удельной энергии разрушения. Аналогичную картину наблюдали и для остальных материалов. Четкая корреля­ ция между длиной трещины и шириной зоны вытягивания имеет место только в области падения абсолютных значений удельной энергии разрушения как функции длины трещины. В зоне стабиль­ ных значений удельной энергии разрушения, когда разрушение происходит макроскопически в упругой части диаграммы разру­

шения нагрузка — деформация, уже не наблюдается изменений ширины стартовой зоны вытяги­ вания, т. е. при достижении в образце определенной критиче­ ской длины трещины ширина зоны вытягивания и значения удельной энергии разрушения становятся постоянными характеристиками для данной толщины исследуемо­ го материала.

Таким образом, можно заклю­ чить, что для исследуемых мате­ риалов на образцах с трещиной может быть достигнуто такое со­ стояние за счет увеличения дли­ ны трещины, когда удельная энер­

гия разрушения материала становится постоянной (для данной толщины) характеристикой.

Образцы из исследуемых сплавов с относительной длиной тре­ щины X = 0,5 были подвергнуты ударному разрушению в интер­ вале температур от +20 до —196° С. Обработанные эксперимен­ тальные данные изображены на рис. 91.

Располагая разрушающей нагрузкой, взятой из диаграмм раз­ рушения, можно определить динамические коэффициенты интен­

сивности напряжений К(сд) исследуемых сплавов, которые под­ считывали с учетом инерционных поправок [131] (рис. 92).

На основании полученных данных можно заключить, что для исследуемых материалов имеет место хорошая корреляция резуль­ татов при силовом и энергетиче­ ском подходах к оценке сопро-

тивления материала распространению трещины при ударном на­ гружении. В таком же порядке расположились исследуемые ма­ териалы и по результатам статических испытаний образцов в виде дисков с боковой трещиной (диаметром 50 мм, толщиной 4 мм) по схеме рис. 120, а. Температурная зависимость трещиностойкости этих материалов приведена на рис. 93.

Аналогичные эксперименты на ударный изгиб проведены на образцах из стали 28ХЗСНМВФА, термически обработанных на два уровня прочности ов (148 и 175 кГ/мм2). В обоих случаях тре­ щина была ориентирована поперек проката. Результаты экспери­ ментов приведены на рис. 94. Снижение температуры очень влияет

на значения величин и А (сд). В данном случае также имеет место хорошая корреляция результатов, полученных при силовом и энергетическом подходах к оценке сопротивления материала распространению трещины при ударном разрушении.

Исследование масштабного фактора при ударном изгибе. Известно [26, 35], что при испытании стандартного образца 10 X X 10 X 55 мм материал испытывает меньшее деформационное стеснение в поперечном сечении, чем при большой толщине кон­ струкционных элементов в условиях эксплуатации. Поэтому для прогнозирования работоспособности материалов в реальных кон­ струкциях прибегают к испытанию крупногабаритных образцов.

Оценка склонности конструкционных материалов к хрупкому

разрушению по работе распространения трещины а£Иу, опреде­ ляемой при ударном разрушении образца с трещиной, характери­ зует материал заданной толщины t. При этом следует иметь в виду, что данные по работе распространения трещины зависят от отно­ сительной длины исходной трещины X = 1/Ь.

В результате проведенных экспериментов были определены

энергетические характеристики материала а^у, т. е. работа на разрушение образца, отнесенная к единице поверхности излома, а также силовые — коэффициенты интенсивности напряжений

К(рис. 96).

Как видно из рис. 96, а, по мере увеличения толщины образца удельная энергия разрушения уменьшается. Особенно резкое па­

дение а£Иу наблюдается для образцов с отпуском при 560° С. С уве­ личением прочности материала (отпуск при 400° С) расхождение

в значениях a£y при увеличении толщины материала уменьшается и для образцов с отпуском при 200° С разница становится несущест­ венной. Другим важным фактором (см. рис. 96, а) является отно­ сительная длина трещины. По мере ее увеличения наблюдается

резкое падение значения и чем более вязкий материал, тем оно значительнее. Полученные данные согласуются с результатами ряда работ, выполненных другими исследователями. В работе [65] также изучено влияние глубины трещины для стандартного образца на удельную работу разрушения. Характер изменения ис­ следуемых параметров носит аналогичный характер.

На рис. 96, б приведены значения динамических коэффициентов

интенсивности напряжений К(ед) в зависимости от длины трещины и толщины материала с учетом инерционных поправок [131].

случае довольно стабильна из-за малой амплитуды колебаний. Такие диаграммы характерны при комнатной температуре испытаний для образцов с отпуском при 560° С, размером поперечного сечения 10 X 10 мм и с небольшой длиной трещины. По мере увеличения относительной длины трещины диаграммы приобретают вид I I (наблюдается уменьшение общей пластичности). В дальнейшем, при увеличении толщины образца и длины трещины, диаграммы приобретают вид V. По-видимому, только при достижении необхо­ димой степени деформационного стеснения (за счет увеличения тол­ щины образца и длины трещины) для вязких материалов можно определить динамический коэффициент интенсивности напряже­

ний KSfi?.

Диаграммы типа IV характерны для квазихрупкого разруше­ ния, которое поддается анализу в рамках концепций механики хрупкого разрушения. Диаграммы типа VI свойственны для пол­ ностью хрупкого разрушения.

Анализ диаграмм разрушения кривых, приведенных на рис. 96, а, б, позволяет заключить, что, начиная с некоторых зна­ чений толщины образцов и относительной длины трещины, их дальнейшее увеличение уже не приводит к изменению удельной

энергии разрушения или значений Разрушение материала в таких случаях характеризуется диаграммами типа IV, V или VI (см. рис. 97). Очевидно, в таком случае значения коэффициента

К сД) достигают своих предельных значений i£(ic\ а удельная энер­ гия разрушения — значений, являющихся для данного материала мерой его трещиностойкости.

Установление корреляционных зависимостей между предельны-

„ (и)

ми значениями удельной энергии разрушения ат.у и другими ха­ рактеристиками может дать ценную информацию для прогнози­ рования работоспособности материалов в конструкции.

"V III

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИНЫ НА СТАДИИ ЕЕ ДОКРИТИЧЕСКОГО РОСТА

Возникновение механики хрупкого раз­ рушения и введение новой характеристики материала — его трещиностойкости — значительно расширили теоретическую и экспе­ риментальную базу изучения явлений усталости материалов. К настоящему времени уже разработан ряд методов теоретичесского и экспериментального исследования распространения уста­ лостных трещин (см., например, [28, 124, 145, 150, 156]).

В данной главе предлагается эффективная методика исследо­ вания докритического роста усталостной трещины, которая, в от­ личие от ранее известных, реализует механизм усталости матери­ ала при плоской деформации на протяжении полного периода роста трещины. В основу этой методики положена силовая схема кругового изгиба цилиндрического образца с внешней кольцевой трещиной при постоянной стреле прогиба. Теоретические средства для обработки экспериментальных данных, полученных по этой методике, и построения на этой основе диаграмм усталостного раз­ рушения изложены в гл. IV.

1.Силовые схемы нагружения образцов

испособы обработки результатов эксперимента

При испытаниях материалов на усталости ное распространение трещины используются такие силовые схемы циклического нагружения специальных образцов, которые реали­ зуют геометрически устойчивую кинетику усталостного разруше­ ния, просты в экспериментальном осуществлении и для которых имеются соответствующие аналитические формулы по определению коэффициентов интенсивности напряжений. Вместе с тем, как от­ мечалось выше, важно, чтобы при распространении усталостной трещины соблюдались условия автомодельности зоны предразрушения, т. е. реализовался в чистом виде один механизм усталостно­ го разрушения (при состоянии плоской деформации или плоском напряженном состоянии).

Рис. 100. Схема образца-диска с центральной трещиной и сосредоточен­ ной нагрузкой (я), зависимость коэффициента интенсивности напряже­ ния от относительной длины трещины (б).

неизменном (точнее, изменяющемся лишь вследствие действия исследуемого фактора) механическом состоянии в зоне предразрушения у конца трещины. Для этой цели в работах [158, 160] поедложена силовая схема, изображенная на рис. 100 и позво­ ляющая обеспечить на некотором участке продвижения тре; шины М постоянство коэффициентов интенсивности напряжении около вершины трещины при постоянных действующих нагрузках (рис. 100, б). Размеры образца-диска при этом должны удовлетвооять следующим условиям:

ворять ду 0)1д < г < 0,4Я; h = (0,17 -f-0,22)R, (VIII.4)

а коэффициент интенсивности напряжений К 1 определяют по та­ кой приближенной формуле [1581: