книги / Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин

как трехмерные зоны, всегда существующие около боковых Надрезов, не уменьшаются в размере с ростом глубины над­ резов, то увеличение относительной глубины надрезов приво­ дит к снижению размера и влияния внутренней зоны с дву­ мерным деформированным состоянием. Это мешает и может предотвратить доминирующее влияние на процесс разрушения роста трещины в центральной части фронта, происходящего в условиях плоской деформации, что необходимо для того, что­ бы результаты экспериментальной работы имели дальнейшее применение.

ЛИТЕРАТУРА

ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ

ДЛЯ БЫСТРО РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ И ОСТАНОВИВШИХСЯ ТРЕЩИН В ОБРАЗЦАХ

ТИПА ДВОЙНОЙ КОНСОЛЬНОЙ БАЛКИ1)

Я. Кальтхофф, Я. Бейнерт, С. Винклер

Исследовано влияние динамических эффектов на процесс остановки трещины. Истинные значения динамических коэффициентов интенсивности напряжений для распространяющихся и затем останавливающихся тре­ щин измерены с применением теневого оптического метода в сочетании с высокоскоростной камерой Кранца-Шардина. Эксперименты проводили на образцах типа двухконсольной балки (ДКБ), изготовленных из эпок­ сидной смолы (аралдит В) и нагружаемых с помощью клина. Установ­ лено, что на начальной фазе распространения трещины измеренные дина­ мические коэффициенты интенсивности меньше, а на фазе торможения больше соответствующих статических величин. После остановки динамиче­ ский коэффициент интенсивности напряжений осциллирует с убывающей амплитудой относительно статической величины коэффициента интенсив­ ности, соответствующей длине трещины в момент се остановки. Трещиностойкость по отношению к остановке трещины, определенная в статиче­ ском приближении, зависит от скорости трещины перед остановкой; однако динамическая трещиностойкость по отношению к остановке дает единственное значение, что свидетельствует о том, что эта величина пред­ ставляет собой истинное свойство материала.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

К\ г—коэффициент интенсивности напряжений, определен­ ный в статическом приближении;

/Ciyn — коэффициент интенсивности напряжений, определен­ ный в динамическом приближении;

ны, определенная в статическом приближении;

') Kalthoff J. F., Beinert J., Winkler S. (Institut fur Festkorpermechanik der Fraunhofer-Gesellschaft, Freiburg, Germany). Measurements of dynamic stress intensity factors for fast running and arresting cracks in double­ cantilever-beam specimens. — In: Fast Fracture and Crack Arrest, ASTM STP 627 (G. T. Hahn, M. F. Kanninen, eds.), 1977, p. 161— 176.

8by American Society for Testing and Materials, 1977 Перевод на русский язык, «Мир», 1981

Kiq — коэффициент интенсивности напряжений, соответству­ ющий инициированию трещины из тупого надреза.

Концепция механики разрушения, связанная с описанием инициирования роста трещины, подтвержденная интенсивны­ ми теоретическими и экспериментальными исследованиями, понята очень хорошо. Разработаны стандартные методы ис­ пытаний, которые успешно применялись для самых разнооб­ разных условий. Однако концепция, связанная с описанием остановки трещины, разработана значительно меньше, и еще не установлены параметры, характеризующие процесс оста­ новки трещины, которые стали бы общепринятыми. На этот счет в настоящее время имеются две точки зрения.

Кросли и Риплинг [1—3] предполагают, что динамиче­ скими эффектами можно пренебречь, и постулируют, что ста­ тические условия нагружения образца с трещиной, возника­ ющие вскоре после остановки трещины, адекватно описывают условия остановки трещины. При этом статическом подходе процесс остановки трещины считается идентичным процессу инициирования движения трещины, но с обратным направле­ нием шкалы времени. Динамические эффекты (волны напря­ жений, колебания в испытательной системе) и их возможное воздействие не рассматриваются.

Хан и др. [4—6] проанализировали процесс остановки трещины, использовав для этого энергетический подход, и пришли к заключению, что влияние динамических эффектов может быть существенным. Согласно их подходу, во время ускорения трещины на начальной фазе ее движения в образ­ це появляется кинетическая энергия, которая затем может внести свой вклад в движущую силу трещины при ее оста­ новке.

На-стоящее исследование предпринято для изучения вели­ чины динамических эффектов и их влияния на процесс оста­ новки трещины. Для этого были измерены истинные значения коэффициентов интенсивности напряжений для остановив­ шихся трещин и сопоставлены с соответствующими статиче­ скими значениями коэффициентов интенсивности напряже­ ний,

26 Й. Кальтхофф, Й. Вейнерт, С. Винклер

трещииостойкости материала. Следовательно, длина трещины при ее остановке а * будет в этом случае больше, чем аа.

Трещиностойкость по отношению к остановке трещины обычно оценивают из экспериментов по остановке трещины, рассматриваемых в статическом приближении. С точки зре­ ния динамического подхода Хана и др. [4—6] следует, что определенные в статическом приближении данные о трещи-

ностойкости Kil занижены по сравнению с истинной трещиностойкостью по отношению к остановке и неадекватно отра­ жают это свойство материала. Бесспорная точная интерпре­ тация результатов экспериментов по остановке трещины требует дальнейшего углубления знания о действительных физических условиях, определяющих процесс торможения трещины.

МЕТОД ТЕН ЕВЫ Х Ф И ГУ Р

Коэффициенты интенсивностей напряжений для непод­ вижных и распространяющихся трещин могут быть опреде­ лены экспериментально теневыми оптическими методами. На

(Г

их основе Маногг [7] разработал «метод теневых фигур», который позднее широко применялся Теокарисом [8] под названием «метод каустик». Метод может применяться с ис­ пользованием проходящего света для прозрачных материа­ лов и отраженного света для непрозрачных.

Физическая основа метода иллюстрируется рис. 2. Надре­ занный образец из прозрачного материала, нагруженный внешними силами, освещается параллельным пучком света. Поперечное сечение образца плоскостью, проходящей через

рив это различие между двумя каустиками, можно экспери­ ментально определить напряженное состояние в кольцевой области вокруг конца трещины и выбрать соответствующие значения.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Образцы ДКБ размерами 321 мм X 127 мм X W мм с длиной начального надреза яо ~ 66 мм были изготовлены из эпоксидной смолы аралдит В. Аралдит В был выбран из-за малого различия механических свойств при статическом и динамическом нагружениях [9]: статический (динамический) модуль упругости £ = 3380(3660) МН/м2; статический (ди­

различной толщины. Образец нагружался на испытательной машине с помощью клина с углом раствора 20°, расположен­ ного между силовыми пальцами. Прогиб 26 плеч образца измерялся непосредственно в точках приложения сил с по­ мощью специально сконструированного пинцетного датчика.

Теневые фигуры для распространявшихся и затем остано­ вившихся трещин регистрировали с помощью высокоскорост­ ной камеры Кранца — Шардина. По техническим причинам вместо параллельного пучка света использовался расходя­ щийся пучок. Расстояние между образцом и плоскостью изображения было равно 1,4 м. Высокоскоростная камера запускалась самой трещиной, которая в начале движения прерывала лазерный луч и давала пусковой импульс.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Были исследованы процессы распространения трещин, инициированных при значениях Ки, в диапазоне от 0,74 до 2,56 МН/м3/2 и распространявшихся со скоростями, изменяв­ шимися от 15 до 320 м/с. Напряжения сжатия, действующие в продольном направлении образца в результате нагружения образца клином с углом раствора 20°, были достаточно ве­ лики для того, чтобы обеспечить прямолинейное распростра­ нение трещины более чем в 75% испытанных образцов.

Теневые фигуры

На рис. 4 показан ряд фотографий теневых фигур для распространявшейся и затем остановившейся трещины. При­ ведены лишь 6 фотографий из 24 полученных. Величина

расхождения каустик показывает, что во всех экспериментах имело место плоское напряженное состояние. Центр каустик соответствует действительному положению конца трещины. Соответствующие длины трещин указаны под каждой фото­ графией.

Количественные результаты, полученные после таких из­ мерений, рассматриваются в следующих разделах.

Скорость

Чтобы изучить изменение скорости трещины перед ее остановкой, действительное положение конца трещины нано­ сили на график в зависимости от времени, как это показано

Рис. 5. Кривые роста и остановки трещин.

на рис. 5. Здесь приведены результаты лишь нескольких экспериментов, относящихся к различным диапазонам ско­ ростей трещины. Явно линейная часть в начале каждой кривой указывает на постоянство скорости на этом участке. Как и ожидалось, максимальная скорость трещины Рша*