книги / Практическое применение механики разрушения для оценки прочности конструкций

на поверхности образца. Оказалось возможным для практических целей использовать измерения, проведенные на поверхности образца. Типич­ ные результаты тарировки для испытываемого на изгиб образца пря­ моугольного сечения 2 5 x 5 0 мм и образца толщиной 5 0 мм, исполь­ зуемого для внецентренного растяжения, приведены на рис. 6 3 и 64 . Раскрытие трещины нанесено в зависимости от места измерения прг увеличении прилагаемой нагрузки. Установлено, что раскрытие тре­ щины линейно зависит от места измерения и только у кончика трещи­ ны незначительно уменьшается. Однако это уменьшение существенно не ухудшает точности определения 8С при использовании линейной эк­ страполяции.

Как видно из рис.63 и 64, пересечение линий зависимости между смещением датчика и местом измерения с осью абсцисс определяет положение шарнира, вокруг которого происходит вращение, и, следова­ тельно, соответствующее значение коэффициента вращения Г . По мере увеличения нагрузки шарнир перемещается от вершины трещины, и поэтому коэффициент вращения постепенно приближается к постоянной величине, равной приблизительно 0 ,4 , как это видно из рис. 6 5 . На этих же рисунках показано изменение коэффициентов вращения в зави­ симости от увеличения смещений, определяемых скобовыми датчиками, на образцах для испытания на изгиб и образцах внецентренного рас­ тяжения разных размеров. Как видно, изменение размеров образцов существенно видоизменяет зависимость между коэффициентами враще­ ния и смещением. Для образцов, испытываемых на внецентренное рас­ тяжение, одинаковые коэффициенты вращения по сравнению с образца­ ми той же толщины, испытываемыми на изгиб, достигаются при боль­ ших значениях 8 , так как в периом случае расстояние между верши­

ной трещины и местом установки скобового датчика значительно больше, чем во втором. Измерения показали, что относительные изменения глубины надреза и размера сплошного сечения на одном типоразмере образца незначительно влияют на коэффициент вращения.

трещин, измеренные на образцах разной формы, отличаются незначи­ тельно при условии, что используется правильный коэффициент враще­ ния. Таким образом, точность измерения КРТ по результатам показа­ ний скобовых датчиков определяется установлением закономерности

когда такая закономерность изменяется существенно. Для практических

Г соответствует равенству радиуса пластической зоны у вершины трещины и толщины образца В. На рис. 66 приведено эксперименталь—

г

Р и с. 66. Изменение к о­ эффициента вращения Г от смещения V в зави­ симости от показаний скобового датчика на об­

Р и с . 6 7 . Критическое раскрытие трещины в ста­ ли 18Х2НМФА в зави­ симости от температуры

Р и с. 68. Сравнение с о ­ противления развитию тре­ щины Кс по прочностному и деформационному крите­ риям с определением РТ по фактическому и посто­ янному коэффициентам

постоянному коэффициен­ ту вращения

ленные по измеренным силам и по значениям Ьс , рассчитанным с уче­ том изменения радиуса вращения, практически совпадают. Эта законо­ мерность служит экспериментальным подтверждением условия ( III. 1), которое выражает связь между линейной механикой разрушения и ме­ ханикой разрушения в условиях общей текучести при ограниченной

щины предложили применять образцы с двойными надрезами. В этом случае разрушение происходит по одному из надрезов, а другой сохра­ няется в форме, предшествующей разрушению и удобной для измерения РТ. При использовании образцов с двойным надрезом следует учиты­ вать их взаимное влияние. Поэтому рекомендуется располагать надрезы на достаточном удалении друг от друга (большем, чем глубина надре­ зов) и по возможности применять чистый изгиб. Образец с двумя над­ резами используется также для измерения динамического РТ. Недостат­ ком образцов с двумя надрезами является трудность определения пога­ ного КРТ, так как они позволяют непосредственно измерять лишь плас­

раскрытие трещины в качестве типового испытания для некоторых кон­ струкций, поскольку предполагается, что необходимые уровни энергии разрушения, по Шарли, определяются при сравнении результатов испы­ таний на раскрытие трещин и испытаний по Шарли. Кроме того, испы­ тание по измерению раскрытия трещины выявляет ряд внешних факторов, оказывающих влияние на характер разрушения, которые не определяют­ ся или не принимаются во внимание при ударных испытаниях образцов Шарли с У -образным надрезом (толщина, скорость деформации, ост­ рота надреза и т .п .). Влияние этих факторов показано на ряде марок

сталей и семи типах сварных соединений, выполненных на одной стали

при изгибе с надрезами, выполненными механически. Из рисунка вид­ но, что толщина влияет на условия страгивания трещины при статичес­ ком нагружении. Образцы Шарпи, имеющие одинаковую толщину, не позволяют выявить это влияние. Следовательно, условия разрушения исследуемой конструкции, результаты которых зависят не только от геометрических размеров, но и от изменений структуры стали по тол­ щине, лучше выявлять при испытании на РТ образцов полной толщины.

Влияние остроты надреза аналогично влиянию толщины, что показа­ но на рис. 7 0 для образцов 1 0 x 1 0 мм из пластины ниобиевой стали толщиной 16 мм (0,15%С, 1,4% Mrt , 0,024% Nb ) с надрезами, из­ готовленными механической обработкой и с последующим нанесением усталостной трещины. Такая трещина должна быть предусмотрена в ти­ повых испытаниях в тех случаях, когда ее влияние возможно в реаль­ ной конструкции.

Ударное испытание, по Шарпи, проводится при скорости деформа­ ции, которая очень редко совпадает со скоростью деформации в кон­ струкции. На рис.71, а на образцах из пластины ниобиевой стали тол -

Р и с .7 0 . Влияние формы надреза на критическое раскрытие трещины 8С при различных темпера­ турах

1 - машинный надрез, р = 0 ,1 8 мм; 2 - ус­ талостная трещина

шиной 16 мм показано значительное влияние скорости деформации на температурную зависимость критического раскрытия трещины. Влияние

координат с увеличением скорости деформации КРТ сначала линейно уменьшается, а затем начиная с величины IgA £*2 остается постоян­ ным. Указанная зависимость справедлива при постоянной температуре. Снижение температуры испытаний уменьшает величину КРТ, но не при­ водит к изменению характера этой зависимости.

На рис. 7 2 приведены сравнительные данные по температурной за ­ висимости КРТ и ударной вязкости, по Шарпи, для основного металла7 наплавленного металла и зоны термического влияния в сварном соеди­ нении, выполненном автоматической сваркой, взятые из работы [ i l l ] . Видно, что эти два вида испытаний по-разному характеризуют три с о ­ ставные части сварного соединения. Следовательно, если надежность конструкции необходимо оценивать по критерию предотвращения начала разрушения, то испытание на РТ дает возможность правильно оценить относительные прочности различных зон сварного соединения, а испы­ тание, по Шарпи, иногда не выявляет наиболее опасную зону.

Смит и Кнотт [1 1 3 ] исследовали влияние ширины надреза, толщи­ ны образца, размера зерна и распределения неметаллических включе­ ний на раскрытие трещины в образцах из малоуглеродистой стали. Ис­

ишириной 0 ,1 5 и 0 ,2 5 мм, а также с усталостной трещиной. Полная повторная аустенизация проводилась как последняя стадия изготовле­ ния образцов, чтобы устранить возможные повреждения материала, вызванные механической обработкой или нанесением усталостной тре­ щины.

Чтобы исследовать влияние ширины надреза на появление волокнис­ тости в изломе, образцы нагружались при комнатной температуре до значения КРТ, соответствующего максимальной нагрузке, а затем разрушались при температуре жидкого азота. Такая методика позволи­ ла (с применением оптического микроскопа) измерить длину волок­ нистой части излома, связанную с подрастанием начального надреза.

Первые испытания показали, что КРТ при максимальной нагрузке не может быть параметром вязкости разрушения, так как оно не опре­ деляет момент начала подрастания трещины, который связан с микро­ структурой материала. Начало подрастания трещины, а следовательно,

иКРТ материала при разных ширинах надреза определялось путем экстраполяции кривых раскрытий трещины от длины волокнистой части

излома (рис.7 3 ) к нулевому подрастанию надреза. Такая экстраполя­ ция определила для разных ширин надреза значения КРТ, при которых возникает волокнистый излом. Там же показано, что изменение жесто­ кости машины не вызывает искажения кривой РТ при одинаковой ши­ рине надреза.

Влияние ширины надреза на КРТ объяснялось следующим образом. Малое КРТ достаточно для объединения пустот у вершины узкого над-

в деформации перед разрушением при испытании на растяжение образ­ цов, вырезанных вдоль и поперек прокатки.

В работе [1 1 4 ] рассмотрено влияние стабильноговпластического роста трешин на прочность материала. Исследовались при статическом изгибе образцы, вырезанные из трубы с толщиной стенки 12 мм и вы­ прямленные. Образцы имели постоянное отношение глубины надреза к ширине, но ширина изменялась от 12,5 до 1 0 0 мм. Раскрытие трещи­ ны определялось скобовым датчиком в момент начала подрастания тре­ щины, которое фиксировалось по изменению постоянного тока, пропуск­ а ем ого вдоль образца. Кроме того, определялось РТ при максималь­ ной нагрузке, т.е. соответствующее нестабильности. Приведенные на рис. 75 результаты измерений РТ в зависимости от ширины образцов показывают, что в начале медленного роста трещины РТ почти не за­ висит, а в условиях нестабильности при максимальной нагрузке замета­ но зависит от ширины образцов. Окончательно разрушались образцы на значительно более поздней стадии после страгивания трещины, причем различие между страгиванием и разрушением возрастало по мере уве­ личения ширины образцов. Разрушение определялось пластической не­ стабильностью и наблюдалось после значительного стабильного подрас­ тания начальной трещины в условиях пластической деформации.

Результаты показывают также, что РТ, соответствующее страгив^- нию трещины, характеризует условия начала разрушения в конструкци­ ях, содержащих дефекты. Данные по испытаниям сферических сосудов, приведенные в работе [1 1 5 ] подтверждают указанное предположение, так как найдено, что раскрытие трещины, соответствующее началу ее страгивания, при наличии пластической зоны не зависит от длины де­ фекта.

В работе [1 1 6 ] исследовалось влияние охрупчивания при деформа­ ционном старении (синеломкости) на зависимость РТ от температуры испытания. Из плиты марганцевой стали толщиной 25 мм изготовлива­ лись образцы для испытаний на изгиб и сосуды давления. Предвари­ тельно по результатам испытаний на растяжение образцов из материа-