книги / Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин

ЛИТЕРАТУРА

1. Crosley Р. В., Ripling Е. J. — Nuclear Engng and Design, 1971, v. 17,

p.32.

2.Hahn G. T., Hoagland R. G., Kanninen M. F., Rosenfield A. R. — Pro­ ceedings of Second International Conference on Pressure Vessel Techno­ logy, San Antonio, Tex. 1973, p 995.

8.Shockey D. A,, Seaman L., Curran D. R. — Final Technical Report AFWL-TR-73-12, Kirtland Air Force Base, New Mex., 1973.

9. Shockey D. A., Seaman L., Curran D. R. et al. — Final Technical Report on Contract DAAD05-73-C-0025, U. S. Army Ballistic Research Labora­ tories, Aberdeen, Md., 1973.

10.Seaman L., Shockey D. A. — Final Technical Report AMMRC CTR 75-2, Army Materials and Mechanics Research Center, Watertown, Mass., 1975.

11.Hahn G. T., Hoagland R. G., Kanninen M. F., Rosenfield A. R —In: Dy­ namic Crack Propagation (G. C. Sih, ed.). — Leyden: Noordhoff Inter­ national Publishing, The Netherlands, 1972, p. 649.

12.Van Elst H. C. — Trans. AIME, 1964, v. 230, p. 460.

13.Van Elst H. C. — In: Dynamic Crack Propagation (G. C. Sih, ed.).—

Leyden: Noordhoff International Publishing, The Netherlands, 1972,

p.283.

14.Kanninen M. F. — Internat. J. Fracture, 1974, v. 10, p. 415.

15. Schmuely M., Peretz D .— Internat. J. Solids and Structures, 1976, v. 12,

p. 67.

16.Bertholf L. D., Benzley S. E. — Research Report SC-RR-68-41, Sandia La­ boratory, 1968.

17.Otter J. R. H., Cassell A. C., Hobbs R. E. Dynamic relaxation. Proc. Inst. Civil Engng., Paper No. 6986, 1967.

18.Shockey D. A., Austin M., Seaman L., Curran D. R. — Final Technical Report to Electric Power Research Institute, Palo Alto, Calif., Contract RP499-1-1, 1976.

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ЗЕРНА

ИТЕМПЕРАТУРЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ

ИОСТАНОВКУ РАЗРУШЕНИЯ ОТРЫВОМ

ВМЯГКИХ СТАЛЯХ')

Дж. Буллок, Е. Смит

В настоящей статье приводятся результаты экспериментальных иссле­ дований, цель которых заключалась в установлении влияния размера зерна

итемпературы на распространение и остановку разрушения отрывом в мягкой стали. Испытания по схеме четырехточечного изгиба проводились на небольших лабораторных образцах с азотированным надрезом и по­ верхностями с целью облегчения инициирования разрушения и исключе­ ния образования губ среза. Установлена корреляция начала остановки трещины с приложенной нагрузкой и проведено подробное исследование вида поверхности разрушения, соответствующей как распространению, так

иостановке трещины. Преобладающим механизмом разрушения для ши­ рокого круга условий испытаний является скол, а не вязкое разрушение. Результаты обсуждаются с точки зрения теоретической модели, описы­ вающей микромеханизмы распространения и остановки разрушения от­ рывом.

Внастоящее время принято находить условия предотвра­ щения начала нестабильного разрушения стальных конструк­ ций на основе принципов механики разрушения. Однако в связи с трудностью учета таких факторов, как остаточные напряжения, эффекты динамического нагружения, изменение свойств материала во время эксплуатации, докритический рост трещины вследствие усталости или коррозионных на­ пряжений и, разумеется, многих других факторов, желатель­ но в тех случаях, когда разрушение может иметь чрезвычайно

серьезные последствия, их предусмотреть и также стремиться к предотвращению распространения трещины на большие рас­ стояния, поскольку на этом пути можно избежать полного разрушения конструкции.

Широкие исследования разрушений конструкций в про­ цессе эксплуатации и лабораторные испытания показали, что распространение трещины в мягкой стали происходит либо за

') Bullock G., Smith Е. (Joint University/UMIST Metallurgy Depart­ ment, Manchester, U. K.). Effects of grain size and temperature on flat fracture propagation and arrest in mild steel. — In: Fast Fracture and Crack Arrest, ASTM STP 627 (G. T. Hahn, M. F. Kanninen, eds.), 1977, p. 286— 300.

счет разрушения отрывом, либо за счет разрушения сдвигом. Эти механизмы разрушения отличаются скоростями, причем при разрушении отрывом обычно распространение трещины значительно быстрее, чем при сдвиге [1].

Для данного материала существует критическая переход­ ная температура, характеризующая процесс распространения трещины, выше которой происходит медленное разрушение сдвигом и ниже которой идет процесс быстрого разрушения отрывом. Эта переходная температура, соответствующая разрушению полномасштабных конструкций, очень хорошо коррелирует с переходной температурой, определенной в ис­ пытаниях падающим грузом (DWTT), предложенных инсти­ тутом Багтелля [2], при условии, что толщины образца при испытании DWTT и полномасштабной конструкции одина­ ковы.

Поскольку скорость трещины влияет на степень релакса­ ции напряжений, она определяет и меру влияния приложен­ ных к конструкции нагрузок на распространение разрушения. Релаксация напряжений более затруднена при больших ско­ ростях трещин, и сохранение высоких уровней напряжений, следовательно, более вероятно, если трещина будет распро­ страняться по механизму отрыва. Вид нагружения также играет большую роль в процессе релаксации. При не жесткой нагружающей системе напряжения не будут релаксировать независимо от скорости трещины, тогда как при жесткой системе нагружения, а такие условия достигаются во многих испытаниях лабораторных образцов, напряжения могут легко релаксировать во время распространения трещины.

Для промежуточных между этими крайними случаями ситуаций релаксация напряжений происходит тем легче, чем меньше скорости трещины, и, следовательно, разрушение от­ рывом так опасно на практике потому, что оно сопровожда­ ется высокой скоростью движения трещины. Это способствует сохранению приложенных напряжений на высоком уровне, создавая условия для продолжения процесса распростране­ ния трещины. Эти рассуждения ясно показывают, что после­ довательный подход к минимизации риска катастрофическо­ го разрушения заключается в том, чтобы исключить возмож­ ность разрушения отрывом. Это не будет автоматически исключать катастрофическое разрушение, так как протяжен­ ное разрушение сдвигом может иметь место, если условия нагружения достаточны для этого; тем не менее это есть шаг в правильном направлении.

Именно большое значение разрушения отрывом в общей проблеме катастрофического разрушения послужило причи­ ной для проведения исследований этого вида разрушения.

Конечной целью является развитие адекватной модели рас­ пространения разрушения отрывом, которая могла бы ис­ пользоваться для установления связи микроструктурных особенностей материала с динамическим сопротивлением разрушению. Это оказало бы существенную помощь при под­ боре материала для инженерных конструкций, особенно в связи с получением экспериментальных результатов, при простых лабораторных испытаниях.

Основным аспектом проблемы, рассматриваемым в насто­ ящей статье, является микромеханика распространения и остановки разрушения отрывом и исследование влияния на эти явления' температуры и микроструктуры, а именно раз­ мера зерна. Эти явления сознательно изучались без учета ус­ ложнений, вносимых наличием губ среза, которые часто об­ разуются при распространении и остановке разрушения от­ рывом. Появление губ среза можно исключить при испыта­ ниях малых лабораторных образцов при очень низкой темпе­ ратуре или их влияние можно свести до минимума при испытании очень толстых образцов при температурах, близ­ ких к представляющим практический интерес. Тем не менее в настоящем исследовании выбран другой путь, который осно­ ван на использовании небольших надрезанных образцов Шарли, поверхности которых азотированы для предотвраще­ ния образования губ среза, азотированы также и надрезы для исключения начального барьера, что позволяет сосредо­ точить внимание на явлении распространения. Авторы уже использовали этот способ на образцах Шарли, разрушаемых при ударных нагружениях, когда процедура предотвращения образования губ среза ведет к существенному уменьшению как энергии удара, так и нормализованной энергии удара [3]. Более того, эти результаты показывают, что динамическое сопротивление разрушению отрывом при данной температуре увеличивается с уменьшением размера зерна, несмотря на то что разрушения по существу на 100% происходили по меха­ низму скола независимо от размеров зерна и температуры испытаний.

В настоящем исследовании проводились испытания при медленном изгибе с целью изучения остановки трещины при разрушении отрывом. Они показали, что в. исследованных мягких сталях скол по существу является единственным ме­ ханизмом разрушения как при распространении, так и при остановке трещины. Эти наблюдения обсуждаются с точки зрения теоретических моделей, описывающих микромеханизм распространения и остановки трещины при разрушении от­ рывом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

Исследованным материалом была мягкая сталь, анало­ гичная сталям, используемым во многих конструкциях, хотя она имела высокоазотистый и иизкоуглеродистый состав, по­ скольку предназначалась для других исследований по опре­ делению степени пластической деформации методом травле­ ния реактивом Фри. Сталь была отлита в слиток весом 25 кг в Объединенных лабораториях Британской стальной корпора­ ции в Шеффилде, прокатана в горячем состоянии в брус квадратного сечения со стороной примерно 15 мм и имела следующий химический состав (в %):

последующим охлаждением в печи. Исследованные две мо­ дификации материала с различным размером зерна имели следующие механические характеристики при растяжении:

Материалы с малым и большим размерами зерен для удоб­ ства в дальнейшем обозначены как материалы М и Б.

На основе предварительных экспериментов были внесены изменения в стандартный образец Шарли. Радиус надреза 0,25 мм в образце Шарпи был слишком тупым, поэтому об­ разцы надрезались на станке на глубину 1,5 мм с последую­ щим увеличением глубины до 2,0 и 2,5 мм вручную ювелир­ ной пилкой толщиной 0,2 мм (конструкция образца показана на рис. 1).

Образцы перед испытанием азотировали в течение 12 ч в аммиаке при 863 К с закалкой в воде, поскольку поверхност­ ный слой, насыщенный азотом, после такой обработки более хрупок, чем в случае, если образцы подвергались медленному охлаждению. Толщина азотированного слоя в вершине над­ реза составляла примерно 0,8 мм и 2,0 мм на боковой поверх­ ности.

Механические испытания проводились ма машине «Имет­ рон» с приспособлением для четырехточечного изгиба, поме­ щавшимся в камеру, которая обеспечивала постоянство тем­ пературы. Испытания проводились при скорости нагружения 0,5 мм/мин в интервале температур от 248 до 353 К, при этом температура в течение каждого опыта поддерживалась по­ стоянной с точностью ±1 К. Испытания прекращались, как только снижалась нагрузка, поскольку это указывало на распространение и остановку трещины, полное снижение на­ грузки происходило в случае распространения трещины до окончательного разрушения.

После испытаний проводились исследования поверхностен разрушения с целью выявления особенностей на этих поверх­ ностях в зоне распространения трещины и ее остановки, ко­

60мм

Рис. 1. Размеры испытывавшихся образцов.

торые могут быть интерпретированы как влияние размера зерна или температуры. Полностью разрушенные образцы разрезались в среднем сечении. Одна половина использова­ лась для металлографического анализа, другая — для изуче­ ния поверхности разрушения на сканирующем электронном микроскопе. Образцы, содержавшие остановившуюся трещи­ ну, вначале разрезались в среднем сечении по толщине, одна половина бралась для металлографических исследований, другая половина доламывалась для того, чтобы можно было исследовать поверхности.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Общие черты

Наблюдались три типа разрушения: полное разрушение, остановившееся разрушение при длинной трещине (остановка происходит на расстоянии I ч- 4 мм от сжатой поверхности), остановившееся разрушение при короткой трещине (место остановки находится непосредственно после азотированного слоя). При низких температурах остановка длинных трещин не происходила, тогда как при повышенных температурах наблюдалась только остановка коротких трещин. Поверхно­ сти разрушения обоих образцов (Ми В) практически на 100%

140 Дою. Буллок, Е. Смит

Результаты механических испытаний

Использование охрупчивания надреза, например азотиро­ вания, для облегчения инициирования трещины ведет к тому, что сила, движущая трещину, не может контролироваться и поэтому естественно ожидать существенный разброс экспе­ риментальных результатов. Для настоящего исследования это имеет второстепенное значение. В самом деле, было же­ лательно измерить степень роста трещины в широкой области изменения движущих сил, которые записывались в терминах коэффициента интенсивности напряжений (Ki), соответству­ ющего инициированию, вычислявшегося по формуле Брауна и Сроули [4]. Степень роста трещины определялась безраз­ мерной величиной Aa/L, где Да — величина прироста трещины и L — начальная ширина образца в сечении, содержащем над­ рез. Такое определение дает Аа/Ь = 1 в случае полного раз­ рушения.

Результаты для образцов М представлены на рис. 3. Они показывают, что вообще величины /О, соответствующие оста­ новке'коротких и длинных трещин, разделяются пороговым значением Ki- Термин «короткие» относится к трещинам, для которых Aa/L < 0,4, тогда как термин «длинные» означает, что Aa/L > 0,4, включая и полное разрушение. Различие ме­ жду короткими и длинными трещинами вполне определенно, так как значения Aa/L « 0,4 для длинных трещин встре­ чаются редко и то только при повышенных температурах (рис. 3). Пороговое значение величины Ki показано пунк­ тирной линией, которая по существу разделяет при темпера­ туре вплоть до 300 К наибольшие и наименьшие значения Ki для коротких и длинных трещин соответственно. В этом диа­ пазоне температур испытаний отсутствует зависимость Ki и Аа/Ь для коротких трещин от температуры.

На рис. 3 показан значительный разброс высоких значе­ ний Ki, однако не очевидно, что остановка трещины соответ­ ствует меньшим значениям Ki в пределах этой полосы. Несмотря на разброс, наблюдается определенная тенденция к увеличению Ki с повышением температуры, что, вероятно, связано с возрастанием пластичности азотированного слоя в вершине надреза. Между 312 К и 323 К наблюдается резкое снижение Aa/L от типичной величины, соответствующей длинной трещине (~ 0 ,8 ) до типичного значения для короткой трещины (~ 0 ,1 5 ), несмотря на повышение силы, движущей трещину. Это служит очевидным свидетельством значитель­ ного повышения динамической трещиностойкости в пределах указанной температурной области. Другим показателем уве­ личения трещиностойкости с температурой является останов­