отдельных металлов составлены по очень большому эксперимен­ тальному материалу, почерпнутому из более чем трехсот опубли­ кованных работ 1124, 131].

Приведенные на рис. 5.15 карты построены в координатах «упру­ гая деформация i!E — гомологическая температура Т/Тпл». В скры­ том виде карты учитывают и влияние времени, так как если рас­ сматривать вертикальный разрез карты, т. е. двигаться, например, сверху вниз при одной заданной гомологической температуре, а для одного сплава и при одной абсолютной температуре, то при этом будет меняться только значение приложенного напряжения, а скорость ползучести — прямая функция от напряжения.

Области доминирующих механизмов разрушения на картах помечены цифрами, которые расшифровываются следующим образом: 1 — область пластических раз­ рушений образцов с образованием шейки в результате активной деформации; 2 — область высокотемпературного пластического разрыва с резкой локализацией де­ формации и утонением образца в месте локализации до нуля; 3 — пластические разрушения по телу зерен в результате ползучести; 4 — полухрупкие разрушения

Первый вид 5Хвызывается присутствующими в металле трещинами, и разруше­ ние происходит при номинальных напряжениях ниже предела текучести металла. Второй вид 52 вызывается зарождением трещин в результате локальных пластиче­ ских сдвигов и образования двойников при напряжениях, также лежащих ниже пре­ дела текучести. Третий вид 53 характеризуется межзеренным разрушением при напряжениях выше предела текучести и наличии заметной пластической дефор­ мации.

При сравнении результатов работы [85] и работ [124, 131] следует учитывать различные условия испытания металлов.

Г л а в а 6. П РО ЧНО СТЬ Э ЛЕМ ЕНТО В К О Н С ТР УКЦ И Й С Т Р Е Щ И Н А М И

6.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Влияние трещин на прочность элементов конструкций является актуальным вопросом, так как в нашей стране и за рубежом зафикси­ ровано большое число аварийных случаев разрушений деталей от трещин. Корабли, мосты, сосуды давления, трубопроводы, тур­ бины — примеры крупных конструкций, в которых наблюдались хрупкие разрушения при напряжениях ниже предела текучести материала.

Гарантировать полное отсутствие трещин в конструкциях невоз­ можно, несмотря на контроль. Чаще всего трещины имеют сварочное происхождение, но могут появиться и в результате действия корро­ зионных сред, они могут быть также и усталостного происхождения, т. е. появиться при эксплуатации, а также технологического, напри­ мер при гибке обечаек, правке листов и др.

Так как присутствие трещин в изделиях возможно, задача созда­ ния надежных конструкций должна решаться выбором материала, который будет «держать» трещины, т. е- в котором трещины це будут

распространяться при эксплуатационных нагрузках (естественно, что речь идет о трещинах ограниченных размеров).

Решение этой задачи потребовало разработать методы оценки сопротивления материалов распространению трещин и определения их критических размеров. Мерой сопротивления материала распро­ странению трещины может служить затрачиваемая на это работа. Если dA — работа, затрачиваемая на образование свободной поверх­ ности площадью dF, то dAldF = Gc — удельная работа. Чем больше эта работа, тем лучше материал детали сопротивляется распростране­ нию трещин.

При хрупком разрушении металлов указанная работа составляет 0,1—1,0 Дж/сма. При идеально хрупком разрушении она численно равна поверхностной энергии вновь образующихся поверхностей. При пластическом разрушении Gc 15 Дж/см2. В этом случае работа расходуется на пластическую деформацию у основания трещины. Интервал 1,0—15 Дж/см2 характеризует переходное состояние, часто связанное с квазихрупким разрушением.

Особую опасность распространение трещин представляет в тех случаях, когда оно совершается как бы самопроизвольно, без допол­ нительной внешней нагрузки. Такой характер распространения трещин называется нестабильным.

6.2. СТАБИЛЬНЫЙ И НЕСТАБИЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦИЙ И РАЗРУШЕНИЯ

Стабильный характер распространение макротрещин может иметь или в результате роста внешней растягивающей нагрузки, или под действием циклических напряжений.

Если радиус основания хрупкой трещины в металлах имеет одина­ ковый порядок с межатомным расстоянием (р « 1 0 " 8 см), то в пла­ стичных материалах основание трещины сильно притуплено пласти­ ческой деформацией, которая имеет повышенную интенсивность и в прилегающей к вершине трещины области. Интенсивная пластиче­ ская деформация в условиях большой концентрации нормальных напряжений создает благоприятные условия для образования дисло­ кационных трещин впереди растущей макротрещины. Исследование показывает наличие пор впереди растущей макротрещины на пути ее движения. Дж. Райс и Д. Трайси [151 ] показали, что рост пор при пластической деформации непосредственно связан с напряжен­ ным состоянием, при котором протекает пластическая деформация. При изменении напряженного состояния в сторону возрастания отно­ сительной величины шарового тензора напряжений растяжения поры растут интенсивнее. Трещина в пластичной стали растет последова­ тельными дискретными скачками от конца макротрещины к скопле­ нию пор после исчерпания предельной пластичности растягиваемых перемычек (рис. 6.1, а—в) [19, 94].

Нестабильное разрушение или нестабильное распространение трещин может совершаться и без «насильственной» деформации, только за счет потенциальной энергии, накопленной в системе (если

испытывается образец, то за счет потенциальной энергии, накоплен­ ной в образце и в той части испытательной машины, которая передает усилие на образец). Приведем примеры.

Пример 1. В ФРГ были испытаны на растяжение отрезки наклепанной прово­ локи (ав = 1200 МПа) диаметром 4 мм и длиной /, равной 19, 2 и 0,2 м [106]. Автоматически записанные диаграммы растяжения приведены на рис. 6.2, а—в, из которого следует, что с увеличением длины проволочных образцов пластичность, регистрируемая записывающим устройством, резко падает. Это происходит потому,

Рис. 6.2

2. Падение нагрузки после достижения Рт2^ приводит к упругому укорочению растянутой проволоки. Так как концы проволоки не могут перемещаться, укоро­ чение вызывает разрыв ее, если в ней образовалась трещина при Р ^ Р тах-

Если при Ятах напряжение в растянутой проволоке о = 1000 МПа, то в резуль­ тате разгрузки от Ршах до 0 укорочение растянутой проволоки длиной 19 м составит

д / = оНЕ = 1000-19/(19,0-104) = 0,1 м = 10 см.

Укорочения такого порядка достаточно, чтобы разорвать проволоку при раз­ грузке не только в результате распространения трещины, но и исчерпания предель­

няется динамическое равновесие между внешней и внутренней силами. В заключи­ тельной части диаграммы деформация становится частично нестабильной, особенно с момента образования трещины разрыва. Упругая энергия, накопленная машиной, может резко ускорить процесс разрыва без участия записывающего аппарата. Это ускорение связано с тем, что уменьшение сечения образца сначала за счет его утоне­ ния, а затем за счет образования трещины вызывает два противоположных явления: увеличение выделяемой энергии и уменьшение энергетического сопротивления об­ разца разрушению R. В результате растет избыток выделяемой энергии (Gc — R), которая переходит затем в кинетическую, связанную со все ускоряющимся движе­ нием трещины.

Пример 3. Рассмотрим теперь проявление нестабильности в процессе распро­ странения трещин при изгибе надрезанного образца. На рис. 6.3 приведены диа­

граммы изгиба надрезанных образцов сосредоточенной силой. По оси ординат отло­ жена деформирующая сила Р, а по оси абсцисс — прогиб образца / в месте приложения силы, равный линейному перемещению деформирующего пуансона.

При нагрузке РКр в изгибаемых образцах образовывались трещины. На рис. 6.3, а показана диаграмма стабильного распространения трещины, поддержи­ ваемого перемещением пуансона, т. е. внешней силой. На рис. 6.3, б показана кар­ тина нестабильного распространения трещины, начавшегося при Ркр и прекратив­ шегося при РнРаспространение трещины происходило так быстро, что пуансон за время падения нагрузки от Рир до Рн не успел заметно переместиться, и диаграмма пошла по вертикальной линии.

Нестабильное распространение трещин возможно как в хрупких, так и в пластичных материалах, однако в хрупких трещина возникает намного легче и приводит к существенно большим разрушениям. Для страгивания трещины с места всегда требуется больше энергии (работы), чем для поддержания движения. Эта особенность требует избыточного запаса потенциальной энергии для начала нестабильного движения, который затем обеспечивает большие скорости распростра­ нения трещин. Скорости распространения трещин в хрупких мате­ риалах больше, чем в пластичных, и приближаются к скорости по­ верхностных волн Релея (в ограниченном теле) в металлах. Если v —

6.3. ВЛИЯНИЕ ПОДАТЛИВОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

Потенциальная энергия, обеспечивающая нестабильное разруше­ ние элементов конструкций, накапливается в самих конструкциях.

Согласно формуле Клапейрона, работа упругой деформации, рав­ ная накапливаемой потенциальной энергии, составляет половину

произведения обобщенной силы Р, вызвавшей деформацию, на соот­ ветствующее ей упругое перемещение о:

Податливость тела удобно характеризовать коэффициентом по­ датливости, представляющим собой упругое перемещение, отнесен­ ное к единичной силе:

== Р2С/2, откуда следует, что чем больше податливость элементов конструкции, тем больше запас в них упругой энергии при прочих равных условиях.

Податливость влияет на распространение трещин не только через запас упругой энергии. Закон разгрузки при распространении трещин также зависит от податливости. На рис. 6.4 приведена схема зависимости изменения нагрузки от перемещения в податливой и жесткой системах. Протяженность нестабильного разрушения зависит от закона разгруз­

будет поддерживаться медленно пада­ ющей нагрузкой. Кривая 2 соответст­ вует промежуточной податливости.

Податливость не зависит от уровня нагрузки, это свойство кон­ струкции или отдельных ее элементов. Податливость зависит от жесткости деталей (EF\ EJ\ GJ). Пружина является примером кон­ структивного увеличения податливости системы за счет формы.

Из сказанного не должно создаться впечатление, что упругая энергия может быть единственным разрушающим фактором. Начало разрушения вызывается силой. Накопленная в системе потенциаль­ ная энергия при достаточных ее запасе и скорости притока в зону разрушения делает развитие разрушения нестабильным. Протяжен­

ие

ность нестабильного разрушения в энергетически изолированной системе определяется податливостью системы, т. е. свойствами конструкции и, конечно, свойствами материала Ч

6 . 4 . К Р И Т Е Р И И П Р О Ч Н О С Т И

Э Л Е М Е Н Т О В К О Н С Т Р У К Ц И Й С Т Р Е Щ И Н А М И

Энергетический критерий. Все внимание при разработке крите­ риев прочности уделялось хрупким разрушениям, которые наиболее опасны.

Одна из первых попыток получить такой критерий принадлежит английскому ученому А. А. Гриффитсу 1133], рассмотревшему во­ прос о прочности пластины неограниченных размеров из хрупкого материала, содержащей трещину эллиптической формы шириной 2 d (рис. 6.5).

Начнем рассмотрение задачи Гриффитса с того, что растянем пластину сначала без трещины, неподвижно закрепим ее края и введем показанную на рис. 6.5 эллиптическую трещину. До образова­ ния трещины потенциальная энергия, накопленная в пластине, со­ ставляет U0. При появлении трещины упругая деформация вблизи трещины в объеме, ограниченном радиусом d, т. е. в объеме nd2,

на распространение трещин в общем случае будет оказывать влияние и работа этих сил. Однако вследствие больших скоростей движения трещин в хрупких материалах работой внешних сил в ряде случаев можно пренебречь.

совершаются в направлении, в котором свободная энергия системы уменьшается.

В поведении трещины возможны три случая:

1) dU/dd < 0 — трещина неустойчива, легко возникает ее неста­ бильное распространение;

2)dU/dd > 0 — трещина устойчива, без дополнительных усилий не растет;

3)dU/dd = 0 — критическое состояние.

Критическое напряжение акр, выше которого начинается неста­ бильное распространение трещины, находим из условия dU/dd = 0 . Продифференцируем для этого уравнение (6.5) по d и приравняем его к нулю:

Для трехосного напряженного состояния, при котором деформа­

где |л — коэффициент Пуассона.

Интересно, что если уменьшить длину трещины d до размеров межатомного расстояния а, то критическое напряжение акр по фор­

Равенство (6 .8 ) является еще одним подтверждением приведенного

в.гл. 2 объяснения различия теоретической и реальной прочности.

Врешении Гриффитса материал рассматривался как идеально хрупкий, поэтому работа распространения трещины приравнивалась к поверхностной энергии. В реальных металлических материалах при распространении трещин протекает пластическая деформация, кото­ рая намного увеличивает работу распространения трещин, или, как принято говорить, вязкость разрушения.

последней можно пренебречь. Заменяя в формуле (6 .6 ) d на 1/2,

и критической длины трещины, при которой наступает нестабильное

Из формулы (6 .11) следует, что между /кр и Gc имеется прямая пропорциональность.

В п. 6.1 приводился порядок величины Gc для хрупких и пластич­ ных материалов. Если эти значения могут различаться на два по­ рядка, т. е. в 100 раз, то и размеры /кр также будут различаться соответственно в 100 раз.

Величина /кр имеет большое практическое значение. Наибольшую фактическую опасность могут представлять мелкие трещины, так как

Р и с . 6 .6

именно они могут остаться в конструкциях незамеченными. Поэтому и опасны трещины в хрупких материалах, в которых значения /кр малы.

Силовой критерий. Идея создания силового критерия заключается в определении напряжения в критический момент нагружения, когда начинается нестабильное разрушение за счет запаса упругой энергии.

Рассмотрим пластину из упругого материала бесконечной ширины со сквозной трещиной, подвергнутую однородному растяжению, как показано на рис. 6.5. Напряжения в системе полярных координат г, 6 в окрестности тупикового конца трещины будут равны (рис. 6 .6 ) [1371:

(6. 12)

где k\ — коэффициент интенсивности напряжений, который может быть определен,

v = Y ~ £ r sm Т ( 2 — — cos' -у ) ; w = 0 .

Плоская деформация (плоское деформированное состояние) при трехосном напряженном состоянии возникает в надрезанном сечении растягиваемого бруса, когда деформация совершается только по двум направлениям (продольное удлинение и поперечное сужение в одном из поперечных направлений). В другом поперечном направлении деформация затруднена, например из-за большой ширины бруса.

Напряжения на продолжении трещины для тонкой пластины (0 = 0 ), согласно выражениям (6 .12), равны:

Рассматривая не всю окрестность конца трещины, как в случае использования формул (6 .1 2 ), а лишь линию продолжения трещины по оси х и воспользовавшись решениями Мусхелишвили [61 ], получим для текущей точки

где х = / + г — расстояние от точки до начала координат вдоль оси х; г — рассто­ яние от вершины трещины до рассматриваемой точки по оси х в теле образца.

При приближении текущей точки к вершине трещины, т. е. при г 0, из формулы (6.15) следует, что оу оо. Чтобы обойти полу­ чающуюся неопределенность, умножим обе части уравнения (6.15)

на ]/ 2пг и рассмотрим предел этой величины при г -> 0 :

Полученный предел представляет собой, по определению, коэффи­ циент интенсивности напряжений, т. е.

Напряжение оу1 определенное в критический момент нагружения (т. е. при разрушении), могло бы играть роль силового критерия. Однако исследования показали, что при изменении размеров трещины константой является не оу, а коэффициент интенсивности напряже­ ний, экспериментально определенный в критический момент нагру­ жения и являющийся поэтому характеристикой прочности материала в случае, когда элементы конструкции имеют трещины. Обозначим этот критерий через klc.

перед фронтом растущей трещины является заметной величиной, параметр k x искажается (завышается). Когда условия опыта не исключают заметной пластической деформации, коэффициент интен­ сивности напряжений записывают в виде k Ja. На рис. 6.8 показано изменение величины k In с увеличением толщины образца h .

Величина k lc считается правильной только при таких толщинах образцов, при которых она достигает минимального значения и пере­ стает изменяться. С увеличением размеров образцов увеличивается и размер трещин, образуемых перед испытанием как продолжение острого надреза при помощи переменных нагрузок на пульсаторе. Увеличение толщины образца облегчает разрушение благодаря «за­ прещению» пластической деформации, этому способствует и большее накопление упругой энергии в образце и машине.

Механическая характеристика k lc была создана для оценки свойств высокопрочных пластичных сталей, которые в больших деталях при наличии трещин могут переходить в хрупкое состояние. Величину k i 0 во многих случаях можно считать страховочной характеристикой, определяемой при наиболее жестких условиях, так как большие трещины, которые приходится делать на образцах, в конструкции не допускаются и удаляются.

При отсутствии заметных пластических деформаций между сило­ вым и энергетическим критериями существует связь, выражаемая

где величина Gic имеет такой же смысл, что и Gc в формуле (6.9): это удельный расход энергии на распространение трещины при критических условиях нагруже­ ния с оговоркой, что это расход энергии только на страгивание трещины с места.

Величины k ic и G ic зависят от температуры: с понижением темпе­ ратуры они, как правило, уменьшаются. В литературе механические характеристики GIC и &1о часто называют характеристиками вязкости разрушения.

6 . 5 . К А Р Т И Н А Д Е Ф О Р М И Р О В А Н Н О Г О И Н А П Р Я Ж Е Н Н О Г О С О С Т О Я Н И Й В М А Л О Й О К Р Е С Т Н О С Т И К Р А Я

П Р О И З В О Л Ь Н О О Р И Е Н Т И Р О В А Н Н О Й П Л О С К О Й Т Р Е Щ И Н Ы

До сих пор мы рассматривали условия разрушения от отрывного смещения берегов трещины, имеющего первостепенное практическое значение. Рассмотрим далее общий случай смещений. Кроме уже рас­ смотренного случая нагрузки — форма смещения I (рис. 6.9, а) могут реализоваться форма смещения I I (рис. 6.9, б ) — поперечный сдвиг, кососимметричный относительно плоскости х О г , при котором поверхности трещины скользят одна по другой в направлении, пер­ пендикулярном к переднему краю трещины, форма смещения I I I — продольный сдвиг (рис. 6.9, в ), при котором поверхности трещины

скользят друг по другу параллельно переднему краю трещины, и

является чистым сдвигом и в литературе получила название анти-

Пользуясь обозначениями рис. 6.6, запишем формулы для напря­ жений и перемещений в малой области у конца трещины при I I и I I I формах смещения.

Параметры k n и &ш , так же как и k b — коэффициенты интенсив­ ности напряжений для полей напряжений приведенных двух форм смещений. Для бесконечной пластины с трещиной шириной 21 при

жены через предельные значения коэффициента концентрации на­

Общие методы вычисления kn и km изложены в работе [13 J. Получить самую общую картину распределения напряжений и деформаций в малой области конца трещины можно наложением рас­

напряженно-деформированное состояние в точке контура трещины, то начало разрушения однородного и изотропного тела с трещиной определяется только этими параметрами. Из этого следует, что

в общем случае может существовать замкнутая поверхность пре­ дельных состояний f (k?*x, б™3*, б™*) = 0. Когда конец вектора kn , &шЬ исходящего из начала координат внутри замкнутой поверхности, достигнет точки на поверхности, для которой заданы предельные параметры k l t k n и &ш , произойдет локальный разрыв. Приведем несколько примеров разрушений, вызываемых разными

формами смещений и их суперпозициями.

Пример 1. В пластине (рис. 6.10) при разрушении ожидается срез в направле­ нии О — О при 0 = 45°. Напряженное состояние в основании надреза определится параметрами k\ и kn; кщ — 0. Условие разрушения имеет вид кц = kn с, где

ложных гранях (рис. 6.11, а). Поле напряжений в вершине трещины определялось двумя коэффициентами интенсивности напряжений ki и Лщ . Результаты испытаний образцов показали, что при изменении температуры в интервале 77—323 К наблю­

няется вид излома) оказалось зависящим от угла наклона трещиЪ. Из табл. 6.1 видно, что с повышением температуры коэффициент k \c увеличивался, при Т п проис­

ходила смена вида разрушения с отрыва на продольный сдвиг, характеризуемый параметром £шс* При дальнейшем увеличении температуры значение Лщс пони­ жалось. Из этих данных следует, что для наклонных трещин существует предель­ ная поверхность разрушения в системе координат k jmaXt fcnimax (рис, 6,12).

На рис. 6.12 различным напряженным состояниям в вершине трещины отве­

чают лучи, исходящие из начала координат. Тангенс угла наклона луча есть отно­ шение ki/kiii, которое меняется с изменением угла наклона трещин а: лучи У и 7 —

соответственно растяжение и сжатие при а = 0; лучи %и 6 — растяжение и сжатие при а = я/9; луч 3 — растяжение при а = тс/3; лучи 4 и 5 — чистый сдвиг. На схеме представлены две поверхности предельных состояний: отвечающий плоскому напряженному состоянию разомкнутый контур kc — II — /гщ с и отвечающий пло­ ской деформации контур ki0— III — km c.

механизма разрушения к другому, так как вызывает рост&ш с* как это следует из результатов испытания роторных и дисковых материалов (табл. 6.2), и, по-види­ мому, падение k\G.

Результаты работ [112, 113] показали необходимость при расчете предельных нагрузок для тел с трещиноподобными дефектами, в частности для резьбовых соеди­ нений, располагать данными о переходных температурах по виду излома с учетом напряженного состояния в вершине трещины и свойств материала.

Пример 3. Пластина с наклонным разрезом, растягиваемая на бесконечности напряжением ож(рис. 6.13), в концах надреза имеет напряженное состояние, оце­

Положение поверхности обобщенного отрыва относительно разреза показано на рис. 6.13.

Пример 4. Если к телу приложена поперечная сила, кососимметричная по отно­ шению к переднему краю трещины, то форма и направление растущей трещины не очевидны. Направление сдвига в этом случае будет определяться суперпозицией продольного и поперечного смещений, а критерием разрушения является функция

/кр = f ( k \ \ , h l \ ) -

6.6. ОБ ИНЖЕНЕРНЫХ ВОПРОСАХ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИКИ ТРЕЩ ИН

Элементы расчета. Условие прочности для элементов конструк­

Это условие означает, что имеется критическое значение коэффи­ циента интенсивности напряжений, например k l c , по достижении которого (&I = k ^ ) трещина начинает распространяться. Для сохрц-

нения прочности необходимо выполнение неравенства (6.29). Левая часть неравенства вычисляется в порядке решения конкретной задачи теории упругости с учетом формы и размеров тела, способа нагруже­ ния и геометрии трещин. Правая часть неравенства — критическое значение коэффициента интенсивности напряжений — определяется опытным путем как некоторая механическая характеристика строи­ тельного материала.

Рассмотрим существующие способы определения сначала левой,

азатем и правой части неравенства (6.29).

Вокрестности трещины

где / i — функция, учитывающая ограниченные размеры пластин, форму и распо­ ложение трещин, способ нагружения (табл. 6.3 и рис. 6.14).

Вокрестности трещины при увеличении растягивающей нагрузки

вслучае I формы смещений в реальных металлических материалах неизбежно возникает пластическая деформация. Для возможности применения упругих решений при наличии пластической деформации надо увеличивать размеры тела (образца), чтобы ужесточить условия пластической деформации у конца трещины и тем самым уменьшить ее протяженность.

Если размер области, охваченной пластической деформацией, невелик сравнительно с характерным размером тела и длиной тре­ щины, возможно применение упру­ гих решений, так как вне пласти­ ческой области напряженное со­ стояние будет описываться форму­ лами (6.12).

Точное определение размеров области пластической деформации наталкивается на большие мате­ матические трудности. Однако для правильной оценки значений ко­ эффициентов интенсивности напря­ жений ki такой учет необходим, но делается он приближенно с введе­

нием упрощающих допущений. Одно из таких допущений сводится к предположению, что пластическая деформация происходит в узкой зоне на продолжении трещины. Полагая, что в пределах этой зоны

При появлении пластической зоны на продолжении трещины расчетную длину трещины увеличивают на размер пластической

Теперь о правой части неравенства (6.29). В табл. 6.4 приведены изображения стандартных образцов для испытания и формулы для вычисления /е1с, применяемые в случае хрупкого разрушения, о чем могут свидетельствовать: а) диаграмма деформации образца в коорди­

Для возможности предварительного выбора размеров образцов, могущих обеспечить достаточно хрупкий характер их разрушения, при испытании выдвигается требование, чтобы протяженность пла­ стической зоны на продолжении трещины была мала относительно размеров образца, например его толщины Я.

Отношение гт/Я в условиях плоской деформации должно быть меньше наперед заданной величины гт/Я « рс. Из выражения (6.31), выведенного для плоского напряженного состояния с учетом того,

При изготовлении образцов наибольшее внимание следует об­ ращать на точность и технологию выполнения надреза и начальной трещины. Начальную трещину в конце надреза создают путем пред­ варительного циклического нагружения образца. Циклические на­ пряжения при изготовлении начальной трещины выбирают из усло­ вия ограничения размера зоны местной пластической деформации впереди растущей трещины, например за счет обеспечения усло­ вия ki шах 0,5fcIc.

Втабл. 6.5 приведены значения /г1о для некоторых применяемых

втехнике сталей и сплавов. Как видно из таблицы, способность ма­ териалов сопротивляться распространению трещин меняется в ши­ роких пределах.

Инженерная оценка характера разрушения образцов при опре­

делении параметра kic. Классификация изломов, принятая в линей­ ной механике разрушения и при инженерной оценке, различна. Характер разрушения при испытании образца на вязкость разру­ шения определяется как квазихрупкий. Этому термину в линейной механике разрушения придается специальное содержание. Его надо понимать как условие, определяемое кинетикой распространения трещин: сначала у конца исходной трещины образуется пластиче­ ская область, протяженность которой растет до некоторого, относи­ тельно небольшого размера d, после чего в начале этой области, сов­ падающей с концом трещины, возникает локальный разрыв. Тре­ щина начинает двигаться, а пластическая область перемещается вместе с движущимся концом трещины, не изменяя своих размеров

и формы. На расстоянии I > d от конца трещины деформации будут только упругими, что создает условия для точного определения &1о.

Т а б л и ц а 6.5. Коэффициент k\ с для сталей, алюминиевых и титановых сплавов

+ 4 % Zn + 2 % Mo

При инженерной оценке прочности материала к характеристике разрушения рассматриваемого образца подход должен быть иным. Величину kic определяют при испытании образцов по нагрузке, вызывающей страгивание трещины с места, т. е. вызывающей разрыв пластической зоны. Поэтому величина felc, хотя и рассчитывается для точки, находящейся на расстоянии / > d от конца трещины, факти­ чески определяется прочностью пластического участка. Это дает основание считать разрушение образца не хрупким, а пластическим. Важная роль небольшого по размерам пластического участка, разры­ ваемого, когда трещина приходит в движение, подтверждается тем, что переход этого участка в хрупкое состояние резко снижает вели­ чину kJc.

прочности: от ат = 280 МПа до ат = 1700 МПа. На рис. 6.15 для

тервале 83—283 К. Наблюдаемое снижение felc с понижением тем­ пературы испытания есть проявление обычной хладноломкости, вызываемой переходом пластического участка впереди конца трещи­ ны в хрупкое состояние.

В нехладноломких титановых а-сплавах не наблюдается значи­

В литературе метод определения характеристик вязкости разру­ шения часто называют методом оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению.

Опыт показывает, что значительным сопротивлением хрупкому разрушению даже в жестких условиях испытания при определении параметра /г1с обладают материалы в пластичном состоянии. Мате­ риалы, находящиеся уже в хрупком состоянии, имеют низкие значе­ ния &1с, и для изготовления конструкции, как правило, их примене­ ние не допускается. Сопротивление хрупкому разрушению следует поэтому понимать как сопротивление материалов переходу в хрупкое состояние.

Следствие из возможности пластических и хрупких разрушений при определении параметра kic. То, что разрушение образца при определении £1с в большинстве случаев является пластичным, служит причиной чувствительности параметра &1с к ряду факторов, способ­ ствующих переходу стали из пластичного состояния в хрупкое. К таким факторам относятся уже рассмотренное влияние темпера­ туры, скорость деформации, наличие коррозионных сред, нейтронное облучение, изменение химического состава и режима термообработки. Когда величина kic падает по мере увеличения предела текучести стали, это также связано с явлением хладноломкости [73].

Установлено сильное влияние коррозионных сред, в частности раствора NaCl в воде, имитирующего морскую воду, на величину £1о для различных сталей. На рис. 6.16 показана временная зависимость