книги / Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин

ИЗМЕРЕНИЕ БЫСТРОГО РОСТА ТРЕЩИН В МЕТАЛЛАХ И НЕМЕТАЛЛАХ1)

Дж. Конглтон, Б. Дентон

Описывается способ применения нанесенной на поверхность образца сетки сопротивления для измерений скорости трещины и расширение его применимости к хрупким телам в результате использования круговой раз­ вертки и камеры с открытым затвором при покадровой съемке сигнала с осциллографа. Для металлических образцов использован более прямой способ измерения скорости трещины и установлено, что снижение дина­ мического потенциала в направлении, поперечном к направлению распро­

ная. Приведены кривые скорости трещины для испытанных на трехточеч­ ный изгиб образцов полиметнлметакрилата и инструментальной стали раз­ личной термообработки.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

с — длина трещины; с0 — начальная длина трещины;

ст — длина трещины в момент, когда скорость трещины минимальна при испытаниях в условиях растяжения с последующим ударом;

Е — модуль упругости;

KiD— динамическая трещиностойкость; Kic — статическая трещиностойкость;

K q— эквивалентный коэффициент интенсивности напряже­ ний для образцов с тупым надрезом;

Кt — коэффициент концентрации напряжений; V — электрическое напряжение;

v, v — скорость трещины; р — плотность;

uNF — напряжение в нетто-сечении при разрушении;

<Хр — предварительное напряжение при испытаниях в усло­ виях растяжения с последующим ударом.

>) Congleton John, Denton В. К. (Department of Metallurgy and Engi­ neering Materials, University of Newcastle upon Tyne, England). Measure­ ment of fast crack growth in metals and nonmetals. — In: Fast Fracture and Crack Arrest, ASTM STP 627 (G. T. Hahn and M. F. Kanninen, eds.), 1977, p. 336—368.

by American Society for Testing and Materials, 1977 §Перевод на русский язык. «Мир», 1981

Измерение быстрого роста трещин в металлах и неметаллах 173

Для измерения скорости трещин в электронепроводящих телах в форме пластин с гладкими бездефектными поверхно­ стями ранее использовалась [1,2] нанесенная на поверхность сетка сопротивления. Основным допущением при этом было то, что фронт распространяющейся трещины перпендикуля­ рен поверхности пластины, что позволяло по наблюдениям разрушения на поверхности адекватно оценивать зону разру­ шения во всем объеме материала. В настоящей статье описано несколько способов измерения скорости трещин в керамиках и металлах, а также приведены некоторые результаты.

Подробно методика нанесения поверхностных сеток опуб­ ликована в [1], где установлено, что шаг вытравленной сетки при ширине полос сетки 0,25 мм должен быть 1 мм, а при ширине полос 1 мм он равен 3 мм, и это подтверждается многочисленными экспериментами. При изготовлении сетки сопротивления полосы, более близко расположенные к зоне разрушения, делались короче для того, чтобы при последова­ тельном разрыве полос движущейся трещиной происходило почти пропорциональное изменение потенциала в сетке.

Предшествующие эксперименты [1,3] показали, что ускорение хрупкой трещины, начавшейся из краевого надреза в пластине, монотонно нагружаемой вплоть до разрушения одноосным растяжением, согласуется с теоретическими рас­ четами Мотта [4] и Берри [5]. В этих экспериментах измере­ ния выполнялись главным образом на полиметилметакрилате (ПММА) при помощи нанесенной на поверхность сетки. Та­ кие данные могут быть представлены либо в виде распреде­ ления средней скорости трещины между соседними полосами сетки, либо в виде точно произведенных измерений времени и длины трещины, интерпретированных на основе итерационно­ го метода с использованием интегральной формы уравнения Берри [3, 5]. Последнее позволяет точно оценить предельную скорость трещины и отношение действующих напряжений в образце к разрушающим напряжениям по Гриффитсу.

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ТРЕЩИНЫ В КЕРАМИКЕ

Наблюдения за быстроразвивающимися трещинами в ПММА и известково-натриевом стекле выполнялись очень легко с использованием сеток, нанесенных на поверхность, как при статическом, так и при ударном растяжениях [1, 2, 3]. Однако попытки провести аналогичные измерения на поликристаллической керамике обнаружили эксперименталь­ ные трудности в трех отношениях. Во-первых, как предпола­ галось и как показали первоначальные эксперименты, на­ блюдаемая скорость трещины составляет примерно 3500 м/с.

Во-вторых, на пористые керамические поверхности невоз­ можно качественное нанесение сетки. Третья и самая большая трудность заключается в том, что трещина на первой стадии как при монотонном нагружении, так и при ударных испытаниях распространялась очень медленно, а затем быст­ ро ускорялась. Например, в начальный момент на участке, достаточно большом по сравнению с расстоянием от вершины трещины до триггерного устройства в сетке сопротивления, трещина имеет скорость 200 м/с, после чего она резко ус­ коряется до предельной скорости, присущей данному мате­ риалу.

Такой широкий диапазон скоростей и разброс момента разрушения от образца к образцу делает работу однолучево­ го осциллографа практически неприемлемой. Это происходит из-за того, что выбор малой скорости развертки осциллогра­ фа осуществляется по начальному участку относительно мед­ ленного роста трещины и на той стадии, когда трещина на­ чинает распространяться очень быстро, развертка по времени становится недостаточной для точного измерения. Увеличение скорости развертки в некоторых случаях позволяет регистри­ ровать часть процесса от момента разрыва первой полосы сетки.

Такое изменение характера разрушения наблюдалось при испытаниях нитрида кремния, поликристаллических глинозе­ ма и окиси магния, что указывает на необходимость усовер­ шенствования экспериментальной техники. Выход заключал­ ся в том, чтобы разработать средства, позволяющие увели­ чить время развертки при большой скорости развертки.

РЕГИСТРИРУЮЩИЙ ОСЦИЛЛОГРАФ С КРУГОВОЙ РАЗВЕРТКОЙ

Увеличение времени развертки при большой скорости развертки однолучевого осциллографа ' было достигнуто за счет создания круговой развертки и использования выходно­ го сигнала с сетки сопротивления для модуляции радиуса вращения луча осциллографа. Покадровая съемка произво­ дилась камерой с открытым затвором с использованием триггерного устройства сетки сопротивления для запуска электрической цепи, предназначенной для увеличения интен­ сивности луча в необходимый момент. Блок-схема электриче­ ской цепи показана на рис. 1. Выходное напряжение от гене­ ратора частоты подводилось к двум цепям смещения фазы (фазорегуляторы) для обеспечения сдвига фазы синусои­ дального тока на ±45° соответственно.

Далее результирующие сигналы раздельно подключались к интегрирующим электрическим цепям, предназначенным для усиления. Так что сигналы на входах X и Y давали на выходе результат KXY, где К — выбранный коэффициент усиления. Таким образом, если X — преобразованный сигнал от импульсного генератора, a Y — сигнал, полученный с сетки сопротивления, то их усиленные сигналы могут быть исполь­ зованы для запуска усилителей сигнала осциллографа в на­ правлениях х и у, дающих на экране круговое изображение,

Рис. 1. Цепь круговой развертки.

которое скачкообразно сужается по радиусу при продвиже­ нии трещины и разрыве полос сетки сопротивления.

Для покадровой съемки в схеме обычного импульсного генератора применялось триггерное устройство, при этом вы­ ходящее с него запирающее напряжение регулировало яр­ кость (Z-модуляцпю) осциллографа. Если разрушение об­ разца вызывало разрыв триггерной полосы, то яркость сиг­ нала, поданного на осциллограф, усиливалась. Продолжи­ тельность сигнала можно было менять при помощи емкости С в цепи, показанной на рис. 2, а уровень запирающего напря­ жения можно было менять, устанавливая относительные ве­ личины сопротивлений R1 и R2.

В системе использовался источник синусоидального тока с частотой 50 кГц, при этом смена одного кадра на осциллог­ рафе происходила каждые 20 мкс. Фотографии расшифро­ вывались при помощи обычного микроскопа с вращающимся столиком, так что при качественной съемке точность измере­ ния угловых вращений достигала 0,1°. Установка имела регу­ лировку положения наблюдаемого объекта, не связанную с центром вращения, поэтому было достаточно просто произ­ водить поворот фотографии около центра круговых следов.

ПРОЦЕДУРА КАЛИБРОВКИ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦАХ

Полупроводниковая аппаратура очень широко исполь­ зуется для наблюдения за ростом трещины при исследовании коррозии под напряжением и усталости, когда скорость роста трещины составляет порядка 1 мм/ч. В этих случаях калиб­ ровка аппаратуры относительно проста, поскольку можно прервать процесс роста трещины на любой стадии и измерить ее длину, которая в данный момент времени соответствует снижению потенциала в направлении, поперечном к поверх­ ностям трещины. Однако в настоящей работе было в общем невозможно остановить трещину до полного разрушения ис­ пытываемого образца. Поэтому калибровка образцов произ­ водилась с использованием тонких надрезов, представляющих собой эквивалентные длины трещин. Иногда было возможно получить остановку трещины при испытаниях на трехточеч­ ный изгиб, используя жесткую нагружающую систему, но и то обычно только после прохождения трещиной большей ча­ сти ширины образца. В дополнение к статической калибровке на образцах, содержащих надрезы различной глубины, вы­ полняется динамическая калибровка с использованием им­ пульсного генератора, электрически моделирующего быстрый рост трещины.

СТАТИЧЕСКИЕ КАЛИБРОВКИ

Если постоянный ток проходит через образец с трещиной, то электрическое поле внутри образца изменяется ступенчато. По мере того как трещина удлиняется, сопротивление части образца, находящейся между электродами, увеличивается и измеряемый в направлении, поперечном к поверхностям тре­ щины, электрический потенциал возрастает. Для калибровки строилась зависимость падения потенциала для различных длин трещины, моделируемой тонким пропилом.

Данные, полученные для образцов, изготовленных из раз­ личных материалов, и предназначенные для испытаний на

получены на трех отдельных закаленных образцах с различ­ ной глубиной надрезов, нанесенных перед термообработкой, а электрические измерения выполнялись после закалки. Ре­ зультаты измерений для стали EN24 получены для серии об­ разцов, закаленных в масле, с нанесенными после термооб­ работки усталостными трещинами различной длины. На ка­ либровку влияет только конфигурация и размеры образца, и этим обусловлено незначительное различие между сплошны­ ми линиями на рис. 4, так же как и различие между этими линиями и штриховой кривой, соответствующей образцу, предназначенному для испытаний иа трехточечный изгиб.

ДИНАМИЧЕСКИЕ КАЛИБРОВКИ

Для анализа процесса быстрого разрушения непосред­ ственно нельзя использовать статическую калибровку разно­ сти потенциалов в связи с изменением пути тока в динамиче­ ских условиях. Регистрация эффекта динамического распро­ странения трещины по выходному напряжению осуществля­ лась при помощи виброгенератора высокой мощности вместо источника постоянного тока. Были измерены результирующие выходные напряжения для образцов различной конфигура­ ции, химического и металлургического составов. Высокомощ­ ный виброгеиератор типа PG55 А, производства фирмы «Эдванс Электронике», способный давать прямоугольные им­ пульсы в 1 А изменяющейся ширины, частоты и времени нарастания (примерно от 6,5 до 80 нс), подсоединялся по разные стороны пропила различной длины на образцах для растяжения и трехточечного изгиба из сталей Pitho, EN24, Н50 в состоянии после отжига и закалки. Разность потенци­ алов в поперечном к надрезу направлении в процессе пуль­ сации непрерывно фиксировалась на осциллографе, и изме­ рения давали величину выходного напряжения на переднем фронте прямоугольных импул'ьсов. Они имели продолжитель­ ность 100 мкс и повторялись с частотой 1 кГц. Измерялось также время нарастания передних фронтов импульсов.

Типичные результаты показаны на рис. 5 для образцов из стали Pitho, испытанных в условиях трехточечного изгиба Они ясно показывают, что выходное напряжение при дина­ мических условиях увеличивается с увеличением длины тре­ щины и уменьшением времени нарастания. Это указывает, что любая динамическая составляющая возрастала бы по вели­ чине с увеличением длины трещины и увеличением ее скоро­ сти. Эти два фактора являются сопутствующими скин-эффек­ ту. А именно, если скорость трещины увеличивается, то путь тока в образцах последовательно сужается вокруг фронта трещины. Таким образом, если трещина увеличивается, то

выходное напряжение увеличивается за счет увеличения пути тока, и если увеличивается скорость, то выходное напряжение также увеличивается в результате уменьшения толщины слоя материала, по которому протекает ток вокруг трещины.

Рис. 5. Амплитуда выходного напряжения (мВ) в зависимости от длины трещины для стали Pitho при трехточечном изгибе образцов. Обозначения: А сталь Pitho отожженная; А сталь Pitho закаленная в масле. Цифры около кривых указывают время нарастания.

Выходное напряжение, определяемое в процессе такой динамической калибровки, может быть выражено в виде

Vdya — f (время нарастания, с).

Из рис. 5 следует, что для данного времени нарастания

V ~ с-

Время нарастания невозможно приравнять эквивалентной скорости трещины, поэтому было принято эмпирическое соот­ ношение следующего вида:

1/d ,n = '4w -