книги / Практическое применение механики разрушения для оценки прочности конструкций
..pdf
Ри с. |
58. Изменение скорости |
||
роста |
трещины d l / d № |
в зависи |
|
мости |
от изменения коэффициента |
||
интенсивности напряжений ДК |
|||
на образцах |
W 0L -4 Х , |
изготов |
|
ленных из стали 24ХН2МФА при |
|||
максимальной нагрузке |
цикла |
||
1 6 0 0 0 кг |
(1 ) и 1 8 0 0 0 кг (2) |
||
(11.22). По результатам испыта ния одного образца можно полу чить несколько эксперименталь ных точек, которые наносятся на диаграмму в двойных логарифми ческих координатах. Испытание трех-четырех образцов из одного материала позволяет построить требуемую экспериментальную зависимость. На рис. 58 в каче
стве иллюстрации приведена такая зависимость для стали 24ХН2МФА, которая выражается формулой
^ |
d l y |
"8 |
о 1 |
|
= 0,98-10 |
|
Д К 2’ |
|
|
Скорости роста |
трещины |
для некоторых материалов могут быть из |
||
мерены при анализе |
излома |
разрушенных образцов в случае, если у с - |
||
талостная трещина создавалась при нескольких уменьшающихся уровнях циклической нагрузки. Смена уровней циклических нагрузок, как пра вило, приводит к созданию заметных границ на усталостном изломе, что позволяет измерить после разрушения образца расстояния между границами и при известном числе циклов рассчитать искомые величины.
Для более точного измерения скорости роста трещины рекомендует ся периодически снимать образцы с машины и подвергать нагреву до образования цветов побежалости последовательно с 350°С . Цикличес кая нагрузка при этом поддерживается постоянной, а температура каж дой последующей выдержки снижается на 50°С .
Коррозионная среда не только способствует увеличению скорости роста усталостных трещин, но и приводит к более интенсивному воз действию на материал статических напряжений. Медленный рост трещи ны в коррозионной среде можно анализировать, используя в качестве локальной характеристики влияния среды вблизи вершины трещины ко эффициент интенсивности напряжений [90 ] .
Характер напряженного состояния у вершины трещины оказывает заметное влияние на рост трещины при коррозии под напряжением. Так, если толщина листа значительно превышает размер пластической зоны у вершины трещины, то условия для роста трещины под воздействием среды гораздо более жесткие, чем для относительно тонких пластин.
Поэтому данные по оценке скорости роста трещины при коррозии под напряжением, полученные на тонких пластинах, имеют сомнительную ценность для условий плоской деформации.
В работе [9 0 ] предполагается, что при статической нагрузке в за данном сочетании материала и среды существует граничное значение сопротивления распространению трещины Kjscc , ниже которого рост трещины не происходит. Если K { scc близко к К^7 медленное подраста ние дефектов можно оценить анализом роста усталостной трещины с
учетом среды. Однако если К {scc значительно |
ниже К |с , то в расче |
тах следует использовать Kjscc вместо К|с ,либо |
необходимо разраба |
тывать специальные методики оценки ресурсов долговечности, более точно учитывающие влияние среды.
5. Электронная фрактография и металлографические исследования
Исследование поверхностей разрушения невооруженным глазом и при малых увеличениях часто помогает выяснить причину разрушения. Воз можности таких анализов значительно возросли с появлением электрон ных микроскопов, способных реализовать значительно большие увели чения, чем оптические микроскопы. Поверхности изломов изучают на микрошлифах, вырезанных перпендикулярно излому, чтобы установить связь между характером излома и структурой металла, либо путем непосредственного наблюдения поверхности излома. Второй путь более экономный и обычно дает больше информации, однако иногда исследуют микрошлифы, вырезанные поперек поверхности изломов. Изучение по верхностей изломов производят с использованием сканирующих или обычных электронных микроскопов. На сканирующем микроскопе пред ставляется возможным исследовать непосредственно поверхность изло ма, но с ограниченным увеличением. Обычный электронный микроскоп обеспечивает большее увеличение, но требует изготовления реплик с поверхностей излома. Изучение поверхностей изломов под электронным микроскопом, называемое электронной фрактографией, широко исполь зуется при анализе эксплуатационных разрушений. Для этого изучают и классифицируют микроскопические особенности поверхностей изломов определенных материалов, которые разрушаются при заданных условия* нагружения.
Бичем и Пеллу [ 9 7 ] предлагают следующую классификацию изло мов:
1)хрупкое скалывание или отрыв, который характеризуется раздел лением кристалла вдоль определенных кристаллографических плоскостей;
2)слияние микропустот, которое зависит от наличия неоднородноетей или дефектов, существующих или образующих в материале в ходе пластической деформации; этот вид излома характеризует пластичное разрушение и определяется наличием ямок на поверхности;
3)квазиотрыв, который является промежуточным видом излома и определяется наличием на поверхности как фасеток отрыва, так и ямс*, характеризующих протекание пластической деформации;
86
4)межзеренное разъединение, когда разрушение в результате кор розии под напряжением, водородного охрупчивания и т.д. распростра няется вдоль границ зерен;
5)усталостное разрушение, характеризуемое наличием плоских сту пенек, связанных с циклическим распространением трещины.
В работе [9 8 ] Торнтон описывает случай, когда электронная фрактография позволила выяснить характер разрушения изгибных образцов из стали НЗХМФ, испытанных для определения сопротивления развитию трещины при трех температурах. Образцы, испытанные при комнатной температуре, имели очень грубую поверхность, тогда как в образцах, испытанных при низких температурах, когда материал характеризовал ся малой величиной Kjc ,наблюдался прямой излом без особенностей. Казалось, что все три образца имели подобные транскристаллитные квазихрупкие изломы. Электронно-микроскопические снимки на скани рующем микроскопе соответственно определили три типа быстрого раз рушения: по зерну, отрывной и смешанный.
Таким образом, электронная фрактография полезна для анализа из ломов образцов, испытываемых для определения параметров механики разрушения, поскольку она позволяет выявить разрушения в условиях плоской деформации, плоского напряженного состояния либо при пере ходных условиях нагружения. Электронная фрактография может способ
ствовать |
также Сближению разрыва между исследованиями по механике |
||
и физике |
разрушения. |
|
|
Торнтон [98] |
описывает также исследование стали Х12МФ с |
нио |
|
бием, имевшей в |
разных состояниях одинаковый предел текучести |
и |
|
химический состав, но существенно различные величины сопротивления
развитию трещины. Так, материал, который плавился |
и отливался |
в ат |
мосферных условиях, имел наименьшие значения K jc |
В поковке, |
из |
готовленной из слитка вакуумного переплава, наблюдалась существен ная разница в величинах K jc в центре поковки они были меньше, чем на поверхности. Металлографический анализ показал, что все три
образца имели аналогичные структуры отпущенного аустенита, но в об разце открытой выплавки включений было в два раза больше, чем в образцах вакуумной выплавки; основная разница заключалась в величи не и форме карбидов, которые располагались по границам аустенитных зерен. Образцы, взятые из наружной части поковки вакуумного переп лава и имевшие наиболее высокие значения К|с , содержали изолиро ванные частицы карбидов, тогда как в центре поковки была видна не законченная сетка карбидов по границам зерен. В образце открытой выплавки наблюдались скопления карбидов по границам зерен вместе с включениями.
Таким образом, металлографический анализ в ряде случаев позво ляет определить причину значительной разницы в величинах К и поэтому дает возможность совершенствовать материалы с целью увели чения сопротивления развитию трещины.
