книги / Основы физики и механики разрушения

ется фундаментальной, постоянной характеристикой материала, то IC – текущая характеристика, справедливая для всевозможных размеров и форм пластической зоны.

Рис. 2.30. Кривые деформации при определении прочности материала σв и предела трещиностойкости IC:

а – упругое разрушение без трещины; б – упругопластическое разрушение без трещины; в – упругое разрушение с трещиной;

г– упругопластическое разрушение с трещиной

Спомощью IC может быть охарактеризовано любое разрушение, от хрупкого до вязкого, для любой трещины, включая самые маленькие.

Вэтом смысле расчеты через IC универсальны и справедливы для всех видов разрушения и не сопровождаются никакими дополнительными условиями, связанными с ограничением пластической деформации перед фронтом трещины. При сравнительном определении трещиностойкости металлов необходимо испытывать образцы одного и того же типа с одинаковыми размерами и одинаковой длиной трещины. В этом случае рекомендуется работать с трещиной длиной A = 0,5b (область, в которой IC

изменяется слабо).

61

2.8. Определение трещиностойкости металлов при статическом нагружении

2.8.1. Определение критических значений коэффициента интенсивности напряжений KIC

Во всех развитых странах определение KIC стандартизовано

и практически одинаково. При проведении исследований мы руководствовались рекомендациями, имеющимися в ГОСТе [27].

Рис. 2.31. Образец типа 1: L – расстояние между центрами отверстий для крепления образца в захватах машины, b ≥ 8t, 2h ≈ (0,25…0,35)b,

L ≥ 2b, 2l ≈ (0,3…0,5)b

62

Предлагается четыре типа образцов (рис. 2.31–2.34). Особое внимание уделяется нанесению надрезов и трещин в образцах (рис. 2.35). Изготовление образцов, метод испытания и проведение расчетов осуществляются в соответствии с указаниями стандарта.

Рис. 2.32. Образец типа 2: L – расстояние между центрами отверстий для крепления образца в захватах машины, L = 5D, d = (0,6…0,7)D, L1 ≥ 7D, l0 = 0,5(D…d) ≥ h + 1,5 мм, l0 ≥ 3,7 tgα, Dk = D – 2h ≈ (0,65…0,85)D

2.8.2. Определение предела трещиностойкости IC

В соответствии с методическими рекомендациями [28] для определения IC рекомендуют три типа образцов – тип 1 (рис. 2.31), тип 4 (рис. 2.34) и тип 5 (рис. 2.36). Этот выбор образцов сделан с учетом определения IC

вшироком диапазоне изменений длины трещины (Ab), так, как это пока-

зано на рис. 2.37. Это является причиной переформатирования [28] соответствующих формул из ГОСТа [27]. Допускается определение IC и на других типах образцов.

63

Рис. 2.33. Образец типа 3: b ≥ 2t, h1 = 1,25b, H = 1,2b,

2a = 0,55b, d = 0,25b, l0 = (0,45–0,55)b, e ≤ 0,06b, h ≈ (0,35–0,50)b

Рис. 2.34. Образец типа 4: L – расстояние между опорами,

L = 4b, b = 2t, l0 = (0,45–0,55)b, h = (0,35–0,50)b

64

Рис. 2.35. Схема надреза для различных типов образцов: а, б – вариант 1; в, г – вариант 2; д – вариант 3; ℓ0 – h > 1,5 мм

Не будем подробно останавливаться (см. подразд. 2.7) на проведении испытаний и подсчета IC. Эти вопросы рассмотрены в методических указаниях [28], а также в [29]. На рис. 2.37 в виде примера пред ставлены значения IC, определенные на различных типах образцов с одинаковой толщиной (t = 10 мм) и различной шириной b, изготовленных из стали 06Г2АФ. Исследования проведены для значений Ab = 0,1...0,7 и температуры испытания +20 оС и –40 оС [29].

65

Рис. 2.36. Образец типа 5 для определения характеристик трещиностойкости: L – расстояние между захватами машины, L ≥ 3b, b > 5t, h = 0,1b

2.8.3. Диаграмма предельной трещиностойкости

При анализе возможностей использования данной стали или типа сталей для создания конструкций, которые работают при определенных эксплуатационных условиях, целесообразно иметь единую связь между характеристиками трещиностойкости и пределом текучести материала для всех случаев разрушения, как вязких, так и хрупких. Другими словами, для оценки трещиностойкости необходимо использовать такую характеристику вязкого разрушения, которая при выполнении условий реализации хрупкого разрушения автоматически превращается в KІС. Этим условиям, как мывидели, полностью отвечает предел трещиностойкости ІС.

На рис. 2.38 представлена диаграмма, на которой каждому значению предела текучести конкретного материала σ0,2 поставлены в соответствие значения предела трещиностойкости IC. Такая диаграмма, построенная в координатах σ0,2 − ІС, названа диаграммой предельной трещиностойкости [30, 31].

66

Рис. 2.37. Зависимости предела трещиностойкости IC от относительной длины трещины Ab для образцов шириной b = 50, 100 и 200 мм:

а – температура испытания +20 °С; б – температура испытания –40 °С

Рис. 2.38. Диаграмма предельной трещиностойкости катаных сталей

67

Данная диаграмма построена на основании результатов, полученных по результатм испытаний при комнатной температуре образцов с одной боковой трещиной на трехточечный изгиб. Использовали образцы толщиной t = 12 мм, шириной b = 100 мм и относительной длиной трещины Ab = 0,5. Различные значения σ0,2 получены с помощью

закалки и отпуска при различных температурах. На диаграмме предельной трещиностойкости различают две области. Первая из них при низкой прочности может быть определена как область вязкого разру-

шения, так как в ней ІС > KIC (при σ0,2 < 1100 MПa). Вторая область при высокой прочности является областью хрупкого разрушения, так как в ней ІС = KIC (приσ0,2 > 1100 MПa). В области вязкого разрушения трещиностойкость стали имеет максимум при σ0,2 ≈ 600 MПa. На эту осо-

бенность обращалось внимание и в ранее проведенных исследованиях [32, 33]. Это важное обстоятельство, которое показывает, что для того, чтобы получить максимальную трещиностойкость, необходимо оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств. Ясно, что при σ0,2 < 600 MПa сталь имеет недостаточную прочность, в то время как

при σ0,2 > 600 MПa она имеет недостаточную пластичность, чтобы

реализовать максимальную трещиностойкость.

Аналогичная диаграмма для серии литых сталей (20Л, 35Л, 20ФЛ) с различным уровнем прочностных свойств, полученных с помощью подобранной термической обработки, представлена на рис. 2.39 [34]. И в этом случае хорошо видны две характерных области диаграммы: левая, куполообразная, с высокой трещиностойкостью при σ0,2 ≈ 500 MПa,

со значениями ІС > KIC, и правая, с низкой и постоянной (в пределах характерных отклонений) трещиностойкостью со значениями ІС = KIC.

2.9. Определение трещиностойкости металлов при ударном нагружении

Под ударным понимается нагружение, при котором действующие силы или перемещения прикладываются быстро, в отличие от статического (квазистатического), когда их приложение медленное. В соответствующей нормативно-технической документации скорости нагружения регламентированы. Так, например, при стандартных статических испытаниях скорость перемещения захватов находится в диа-

68

пазоне 10–5–10–3 м/с [27], в то время как при ударном нагружении с помощью маятника Шарпи скорость в момент удара должна быть

3–5 м/с (ГОСТ 9454–78).

Рис. 2.39. Диаграмма предельной трещиностойкости литых сталей:

1 – IC; 2 – IC = KIC

На рис. 2.40 показаны типичные зависимости «напряжение – деформация» при динамическом 1 и статическом 2 нагружении для алюминия (рис. 2.40, а) и армко-железа (рис. 2.40, б). Характерным является то обстоятельство, что прочностные характеристики металлических материалов повышаются с увеличением скорости нагружения, при этом повышение более значительно для предела текучести σ0,2 ,

чем для предела прочности σв. Изменение коэффициента интенсивности напряжений K и вязкости разрушения G в зависимости от относительной скорости развития трещины VVз показана на рис. 2.41, где

V – скорость трещины, а Vз – скорость звука в материале, в котором развивается трещина.

69

Рис. 2.40. Зависимости «напряжение – деформация» при динамической (1)

истатической (2) деформации: а – для алюминия (Ямада, Котеразава);

б– для стали с 0,2 % С (Кемпбелл, Харди)

Рис. 2.41. Изменение Kдин (1) и Gдин (2) и (3) в зависимости от скорости

Kст Gст

развития трещины V : 1 – Нилсон; 2 – Броберг; 3 – Акида, Икеда

Vз

При изучении влияния скорости нагружения на сопротивление разрушению необходимо иметь в виду и следующие два принципиальных случая:

1. С увеличением скорости нагружения прочность материала существенно не меняется. В то же время пластичность материала снижается.

70