книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

у конца образца 1050 м/сек. Приводится ошибка измерения ±60 м/сек.

Испытаниями узких образцов не обнаружено какого-либо е л и я н и я , оказываемого температурой в интервале от —17 до 0° С на скорость распространения трещины. В области высоких на­ пряжений найдены скорости 750—1170 м/сек; там, где напряже­ ния были низкими, скорость составляла лишь 60 м/сек. Таким образом, напряжения явно влияют на движение трещины в ме­ талле и в определенных условиях разрушение может протекать медленно.

В методическом отношении исследование, выполненное Кен­ неди [226], подобно предыдущей работе. Скорости разрушения судовой малоуглеродистой стали достигали 1200 м/сек.

Весьма интересные методы исследования и распространения трещин разработаны в [227]. Между двумя сторонами трещины пропускают ток высокой частоты. Вследствие скин-эффекта он распространяется в тонком поверхностном слое трещины. В этих условиях полное сопротивление меняется линейно с длиной тре­ щины. Второй метод заключается в нанесении на поверхность образца изолированной от него оловянной фольги. Фольга и об­ разец образуют конденсатор, емкость которого пропорциональна общей площади полосок. При распространении трещины полоски разрываются и емкость меняется.

Я. Немец [228] изучил динамический изгиб рельсов без над­ реза. Разрушение регистрировалось осциллографированием и одновременно киносъемкой цейссовской лупой времени с 35-мм пленкой. Время, необходимое для излома, оказалось равным 0,2—0,3 м/сек. Отсюда скорость трещины оценивалась в 600— 1000 м/сек.

Сэйбель [229] и Ирвин [230] отмечают, что Дэвис, Троксел, Паркер и О’Брайен [229] экспериментально исследовали ско­ рость распространения разрушения в стальных образцах с зара­ нее выращенной исходной трещиной, скорости которой менялись от сотен до 1500 м/сек.

Фасфелд и Федер [232] применяли высокоскоростную кино­ съемку для изучения деформации и разрыва алюминиевых и латунных образцов шириной 12 мм и толщиной 0,8 мм. На фоточувствительную поверхность образцов фотографическим путем наносили сетку для измерения деформации. Для разрушения использовали кривошипный пресс, работающий со скоростью 3,8 м/сек, а для регистрации разрушения — кинокамеру с часто­ той 10 000 кадров в секунду.

Утонение образца перед разрывом, т. е. его пластическая деформация, происходило за 5- 10-4 сек. После этого начиналось собственно разрушение, заканчивавшееся в среднем за 10~4 сек.

72

Трещина возникала в центре и росла к краям образца. На пер­ вых этапах разрушения ее скорость повышалась прямо пропор­ ционально корню квадратному из длины трещины и достигала 125 м/сек. После того как на завершающей части своего пути трещина отклонялась от прямолинейного направления, эта за­ висимость нарушалась.

О’Брайен и Дэвис [223] изучали разрушение алюминия в про­ цессе откола при взрывном нагружении. После отражения им­ пульса сжатия с обратным знаком растягивающие напряжения достигают критической величины, в результате чего образуется несколько начальных трещин. Они растут до тех пор, пока не пересекают весь образец. Средняя скорость распространения трещин оценивается в 500 м/сек.

Высокоскоростная киносъемка, как метод исследования бы­ стрых трещин, имеет бесспорные преимущества перед любыми другими методами изучения трещин. Это связано, прежде всего, с ее объективностью и независимостью от сложных процессов на поверхности и внутри разрушаемого материала. Это достоинство особенно наглядно, если провести сопоставление, например, с методом разрыва проволочек или магнитным методом по Кен­ неди. Кроме того, высокочастотная фотография позволяет рас­ членять процесс и «запоминать» его, а затем неоднократно вос­ производить, в частности, в замедленном темпе на экране. Про­ стота и мобильность оборудования, серийно выпускаемого промышленностью, дает возможность широко использовать ско­ ростную фоторегистрацию для изучения прочностных свойств твер­ дых тел.

Примером удачного приложения киносъемки могут служить работы Ван Элста [222] и де Граафа [233]. Они использовали нестандартную кинокамеру, способную непрерывно регистриро­ вать распространение хрупких трещин в искровом режиме и получать серию последовательных дискретных картин в растро­ вой поляризационной камере. Кроме того, допускалась фотоза­ пись динамических нагружений, связанных с распространением хрупкой трещины.

Стальные плиты размером 3 0 5 X 3 5 6 X 2 2 , 2 мм разрушали по методу Робертсона. Предварительное охлаждение до —3 5 ° С осуществляли при помощи медной камеры с твердой углекисло­ той. Разрушение инициировалось ударом стального бойка, вы­ стреливаемого пушкой. Область, прилегающая к месту зарожде­ ния, охлаждалась жидким азотом.

Анализ картин распространения хрупкого разрушения низко­ углеродистой стали для интервала температур от +21 до—3 5 ° С, показывает, что средняя скорость составляет 1000—2000 м/сек. Рост трещины происходит не с постоянной скоростью, а преры­ висто. Длина одного скачка составляет 2—30 мм. Максимальное время остановки достигает 20 мксек.

73

В. М. Финкель и И. А. Куткин разработали схему испытания [234], приведенную на рис. 30. Образец в виде пластины разме­ рами 250Х7ХЮ0 мм с продольным надрезом устанавливали на ноже. На одном из концов образца ставили П-образный боек, который передавал на образец удар груза Р\ в результате обра­ зец деформируется и на его краю в надрезе зарождалась тре­ щина, которая распространялась вдоль всего надреза. Процесс регистрировался на кинопленку типа Д камерой СКС-1М через зеркало, наклоненное под углом 45° к плоскости образца. Зер­ кало было смещено относительно образца, а камера устанавли­ валась в горизонтальной плоскости под углом 0 к плоскости зеркала, что позволяло регистрировать на кинопленке также и

6

Рис. 30. Схема разрушения и киносъемки стального образца:

1 — кинокамера; 2 — зеркало; 3 — боек; 4 — образец; 5 — опора; в — осветители

процесс пластической деформации образца. Применяли два осветителя, имевших лампы накаливания по 1000 вт каждая,

снаправлением света вдоль надреза образца.

Вцелях повышения фотогеничности трещины дно надреза подвергали специальной обработке. Основной задачей было га­

шение блеска металла в связи с интенсивным его освещением и создание матового оттенка, на фоне которого трещина видна сравнительно хорошо. Наиболее просто это достигается затра­ вливанием рабочей поверхности 40%-ной азотной кислотой. При этом корродирование поверхности нежелательно. Этот метод не пригоден для малоуглеродистых сталей из-за низкой их травимости и может быть заменен напылением сажи над спиртовкой. Тонкий слой сажи хорошо держится на металле. Перед разруше­ нием здесь дно надреза не нарушается, однако видимость тре­ щины в случае травления значительно лучше.

74

Для определения чувствительности метода к такой раскры­ вающей трещине проводили опыты с недоломом образца. Изме­ рение зарегистрированной на негативе остановившейся трещины и сравнение этих измерений с действительной трещиной на об­ разце показали, что метод «чувствует» трещину лишь при ее поперечных размерах 0,05 мм. Меньшее раскрытие трещины не разрешается оптической системой камеры СКС-1М и негативной кинопленкой типа Д. Если фронт трещины уходит вперед от предельного разрешаемого размера в среднем на 1 см, то ско­ рости трещины, измеренные при покадровом анализе, меньше действительных на 40—45 м/сек, что и определяет погрешность метода.

Для отметки на негативе начального момента процесса использовали импульсную вспышку, которая срабатывала в мо­ мент соприкосновения груза с бойком.

Покадровый анализ негативов производили на инструмен­ тальном микроскопе. Измеряли длину трещины и угол пласти­ ческой деформации у.

Съемку выполняли под углом 0 (см. рис. 30), поэтому на пленке регистрировался искаженный угол ср. Для пересчета истинного угла деформации использовали следующее выражение

Ф— угол деформации для данного сечения образца, изме­ ренный по пленке;

у— истинный угол пластической деформации для данного

сечения образца.

Сечения образца отмечали узкими бумажными полосками, наклеенными поперек образца, или неглубокими надпилами на поверхности. Расстояние между смежными сечениями состав­ ляло 40 мм. Таким образом, при длине образца от 220 до 280 мм получалось от 6 до 8 фиксированных сечений для измерения про­ цесса распространения пластической деформации вдоль образца. Точность измерения угла пластической деформации была в пре­ делах ±20'

В зависимости от обработки металла и условий механических испытаний процесс разрушения занимает от 2 до 64 кадров. Кино­ кадры разрушения образцов приведены на рис. 31.

Исследование кинетики разрушения некоторых сталей прово­ дили в интервале температур от +100 до —70° С. Отрицательные температуры получали в спирте, охлажденном углекислотой.

Возникает вопрос: отвечает ли видимое распространение тре­ щины по дну надреза ее истинному перемещению внутри металла. Другими словами, каков фронт растущей трещины по сечению

75

образца. Известно, что при ударном испытании* образцов с над­ резом (типа Шарли) первичная трещина возникает на малой глу­ бине под дном надреза в области с напряженным состоянием, близким к объемному [235]. В связи с этим рост трещин можно было бы представить себе следующим образом. Возникшая под надрезом зародышевая трещина пробивает тоннель вдоль об­ разца и лишь затем вследствие разрыва тонкой перемычки вскры­ вается «трещина» на поверхности надреза. Именно -такое толко­ вание дает, например, Робертсон [218]. В целях проверки харак­ тера движения и определения формы ее фронта проводили три группы опытов: исследование формы устья остановившейся тре­ щины недоломанного образца, наблюдение за движением тре­ щины в надрезанном образце из плексигласа и аналогичные опыты в стекле.

Прежде всего следует заметить, что до того, как начался рост трещины, вдоль образца распространяется волна пластиче­ ской деформации, приводящая к созданию весьма мелкой сетки трещин, пронизывающей образец по всему сечению. Внутри образца разрыхление более интенсивно, чем на поверхности над­ реза, но и на ней оно весьма значительно. Это явление протекает в большей степени в мягких сталях и в образцах с широким надрезом. Последующий рост магистральной трещины идет путем объединения мелких. Поскольку эти мелкие трещины уже существуют в соизмеримом количестве в сердцевине образца и на поверхности его надреза, трудно ожидать прорыва трещины только в центре образца.

В первой серии опытов исследовали образцы с остановивши­ мися трещинами естественного происхождения (случайные недоломы) и с искусственно созданными трещинами. Последние получали или многократным^ ударами, или разрушением об­ разца, часть которого фиксировалась жестким зажимом и не могла быть деформирована и разрушена. Зону металла в районе устья трещины послойно сошлифовывали, травили и сечение образца рассматривали под микроскопом. Сошлифовывание продолжали до полного исчезновения трещины.

Графические очертания фронта типичных трещин приведены на рис. 32. Общим является «отрыв» трещины от нижней пло­ скости образца, расположенной на опоре-ноже. В середине образца рост трещины незначительно опережает ее движение по дну надреза. Однако это опережение никогда не превышает 5—10 мм. В целом фронт трещины весьма полог.

Во второй группе опытов для непосредственного наблюдения фронта растущей трещины изготовляли образцы из плексигласа, геометрически эквивалентные металлическим, но большие по размерам. Киносъемку проводили на отражение от трещины в профиль со скоростями до 4800 кадров в секунду. Схема раз­ рушения оставалась прежней. Во избежание блеска надрез об­

76

более быстро, так как нет периода разгона трещины. Задержка разрушения достигает 28 • 10~4 сек. Скорость трещин 300— 400 м/сек. Форма фронта растущей трещины, промеренная по кинокадрам разрушения, приведена на рис. 32, б. Очертания ее, аналогичные приведенным выше на том же рисунке, показы­ вают, что трещина в центре образца лишь незначительно опере­ жает поверхностную. При этом форма фронта почти не меняется в процессе движения трещины. Исследования разрушения стекла подтвердили эти результаты.

Рис. 32. Форма фронта трещины:

а, в, — на стальных образцах; б — на плексигласе (по кинокадрам разруше­ ния)

Проверка показала, что рост трещины на поверхности над­ реза отражает движение магистральной трещины в сердцевине образца. В худшем случае регистрируемая скорость будет меньше истинной скорости трещины в центре образца на 50 м/сек, что по сравнению с наблюдаемыми скоростями до 1000 м/сек, относительно немного.

2.РОСТ ТРЕЩИН В СТАЛИ 35ХГ2

Вцелях выяснения основных закономерностей распростране­ ния быстрых трещин в работе [166] изучали сталь 35ХГ2 в виде образцов с круглым надрезом. Рассматривали влияние массы груза, предварительной деформации и формы надреза на кине­ тику процесса разрушения.

77

Грузы массой 44,3; 25 и 33,5 кг сбрасывали с высоты 2 м. Результаты киносъемки приведены на рис. 33: на верхней части графика — кинетические кривые, на нижней — угол пластиче­ ского изгиба ударного конца пластины. Оба графика построены в функции времени. За начальный момент отсчета было принято мгновенье удара. Рост трещин начинался с ударного конца по истечении некоторого времени после приложения ударной нагрузки. Это время, которое ниже будет называться временем

и 33,5 кг и 19010~5 сек для 44,3 кг. Скорости съемки в первом случае были 4100, а во втором 4300 кадров в секунду. Погреш­ ность определяется промежутком времени между кадрами и составляет примерно 20* 10-5 сек. Рост трещины наблюдается на 7—8 кадрах, причем вначале он идет довольно медленно. Завер­ шающий этап протекает со значительными скоростями, примерно одинаковыми для различных грузов и достигающими 700 м/сек. Разрушению предшествует и сопутствует значительная пла­

78

стическая деформация, более интенсивная при большом грузе.

Время задержки разрушения можно регулировать в довольно широких пределах, задавая пластине перед испытанием ту или иную предварительную пластическую деформацию. Под влиянием этой деформации исчерпываются пластические ресурсы металла, сокращается задержка разрушения (рис. 34) и, в связи с этим, уменьшается полное время разрушения — от момента удара до прорастания трещины на всю длину об­ разца.

Хорошо известно, что надрез, приближая напряженное со­ стояние к трехосному, тормозит*пластическую деформацию, тем

суменьшением его радиуса более, чем вдвое.

Вобразцах с трехугольным надрезом скорость трещин сразу же становится значительной. Максимальные скорости достигают 700 м/сек. От начала роста трещины до разрушения образца проходит не более 3—5 кадров. Аналогично случаю с круглым надрезом, увеличение остроты надреза сопровождается умень­ шением задержки разрушения. В общем начало разрушения отвечает, меньшим деформациям ударного конца, чем в случае круглого надреза.

Врезультате исследования выявлены следующие особенности разрушения надрезанных пластин: 1) рост трещины начинается после задержки во времени; 2) скорость роста увеличивается сравнительно медленно, причем немонотонно; 3) возможны оста­ новки трещины; 4) конечные этапы разрушения протекают со скоростями 300—750 м/сек; 5) процесс разрушения, включая задержку, длится примерно 500—650* 10“5 сек.

79

Эти особенности подтверждают допустимость использования камеры СКС-1 в целях исследования разрушения, по крайней мере, тонких образцов достаточно большой длины. Более того, применение камеры СКС-1 представляется совершенно необхо­ димым для оценки времени задержки и создания условий для

Рис. 35. Зависимость длины трещины и угла пластиче­ ского изгиба от времени для образцов с круглым над­ резом различных размеров

/ — /?«=2 мм; 2 — 3 мм; 3 — 4 мм; 4 — 5 мм

перехода на быстродействующие кинокамеры со скоростями

всотни тысяч кадров в секунду.

Кнедостаткам приведенного с помощью СКС-1 исследования следует в первую очередь отнести довольно большой промежу­ ток времени между кадрами. В связи с этим, определяемые

скорости ее роста бесспорно усреднены за время около 20 • 10-5 сек.

80

3. РОСТ ТРЕЩИН В УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

Из сталей Кузнецкого металлургического комбината в состоя­ нии поставки изготовляли по 5—6 образцов с надрезом различ­ ной формы. Данные о содержании элементов в исследованных сталях приведены в табл. 3. Желательно было исследовать рост трещин при различных напряженных состояниях: от круглого надреза до острого — треугольного. Однако стали марок Ст. 3 и Ст. 25 с круглым надрезом не разрушались. Поэтому их испы­ тывали только с треугольными надрезами; стали марок 35, 50, 65Г и У8А испытывали и с круглыми и с треугольными надре­ зами.

* Для всех сталей, кроме У8А, толщина образца 8 мм, для стали У8А — 5 мм.

Испытания проводили [236] при комнатной температуре. Во всех случаях вес груза составлял 25 кГ, высота падения 2 м. Толщина живого сечения у всех образцов независимо от формы надреза была равна 2,4—2,5 мм.

Результаты испытания сталей марок Ст. 3, 25, 50 и 65Г сви­ детельствуют о том, что общей чертой является существование задержки разрушения, для стали 35 она достигает 380* 10-5 сек. Несмотря на значительный разброс, можно думать, что эта ве­ личина с остротой надреза уменьшается (стали 25, 65Г, 35).

Во время задержки разрушения и после нее в образце про­ текает интенсивная пластическая деформация. Она начинается с некоторым запозданием по отношению к моменту соприкосно­ вения падающего груза с бойком. Здесь, вероятно, происходит задержка текучести, обнаруженная ранее в ряде работ [237— 239]. Например, А. И. Голубков и В. М. Панов оценили ее при динамическом растяжении стали в 0,002—0,200 сек, Вуд и Кларк — в 0,01—10 сек. В нашем случае эти задержки колеб­ лются в зависимости от марки стали и формы надреза в преде­ лах от 20 до 160 • Ю"5 сек. Необходимо отметить, что для точной

81