книги / Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ К1тл KlD И *,« ПРИ ТОРМОЖЕНИИ ТРЕЩ ИНЫ1)

Р. Хоагленд, А. Розенфилд, П. Гелен, Док. Хан

Описаны новые разработки, которые позволили предложить гибкую методику измерения параметров разрушения К\т, K\D и К\а, которые ха­ рактеризуют способность материала к торможению трещины. Методика основана на применении динамически жесткого нагружения клипом, кото­ рое ограничивает динамический обмен энергиями между образцом и испы­ тательной машиной. Это делает возможным интерпретировать как малые, так и большие скачки трещины, не прибегая к измерениям скорости тре­ щины. Методика универсальна и может быть реализована иа обычных и двойных постоянной высоты и переменной высоты двухконсольных (ДКБ) образцах, на компактных образцах и образцах с одним боковым надре­ зом, когда для последних будет проведен динамический анализ.

В статье рассмотрены достоинства образцов различной формы, тре­ бования к размерам образцов и толщине, возможные верхние и нижние границы для величины скачка трещины, а также проблема ветвления тре­ щины и влияние боковых надрезов. Описаны измерения взаимодействия испытательной машины и образца. Результаты, полученные для стали А533В на образцах ДКБ постоянной высоты, показывают зависимость Кia от величины скачка трещины, а также существование ранее предло­ женной зависимости между Кю и Кип или K ID. Результаты подтвердили, что значения Кип (или / ( ID), полученные по новой методике из статических измерений смешения точек приложения нагрузки и длины остановившейся трещины, согласуются с величинами, полученными по измерениям скорости трещины. Проведенные эксперименты показали также, что двойные образцы ДКБ умеренных размеров (400 мм X 140 мм X 50 мм) позволяют измерять величины Kim и K ID, превышающие 150 МПа-м1/2.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

В — толщина образца; Вп— нетто-толщина образца с боковыми надрезами;

ДКБ — двойная консольная балка;

G — интенсивность освобождения энергии;

G'i — интенсивность освобождения энергии при разру­ шении по типу I;

') Hoagland R. G., Rosenfield A. R., Gehlen Р. С., Hahn G. Т. (Battelle Columbus Laboratories, Columbus, Ohio). A crack arrest measuring proce­ dure for Kim, K ID and Kia properties.— In: Fast Fracture and Crack Arrest, AS ГМ STP 627 (G. T. Hahn, M. F. Kanninen, eds.), 1977, p. 177—202.

KQ — коэффициент интенсивности напряжений при ини­ циировании трещины из тупого надреза в образ­ це ДКБ;

К\ — коэффициент интенсивности напряжений при раз­ рушении по типу I;

К\а — Ка при разрушении по типу I;

К\с — Кс при разрушении по типу I;

Кю — KD при разрушении по типу I; Kim — минимальное значение Кю',

ТНП — температура нулевой пластичности; КТТНП — контрольная температура для температуры нуле­

Kim;

а — длина трещины; а0 — начальная длина трещины;

Дат — длина трещины в рабочей части образца; Дas — длина трещины в стартовой части образца;

44 Р. Хоагленд, А. Розенфилд, П. Гелен, Дж. Хан

w — ширина образца (размер параллельно линии трещины);

оу — предел текучести;

oVD- динамический предел текучести; v — коэффициент Пуассона.

Критерий остановки трещины может быть просто записан через силу, которая движет трещину, и минимальное сопро­ тивление разрушению, выраженное либо через энергию, либо через интенсивность напряжений !)

О)

(2)

Применяя эти критерии для вычисления силы, движущей трещину, и измерения сопротивления разрушению, можно предсказать, будет ли остановлена бегущая трещина в кон­ струкции и где именно. С другой стороны, эти критерии мож­ но использовать для конструирования устройств для оста­ новки трещин или оценки сопротивления разрушению по ре­ зультатам измерении параметров, контролирующих явление скачок — остановка трещины в лабораторных условиях. По­ следнее представляется весьма существенным, так как значе­ ние К т необязательно соответствует К\с, трещиностойкости в начале распространения трещины.

Действительное количественное рассмотрение этих кон­ цепций представляет собой трудное дело. Точные вычисления для конструкций или образцов конечных размеров требуют полного динамического анализа для /Ci по схеме, обсуждав­ шейся в [1]. По этой схеме величина /Сi в момент остановки зависит от сопротивления разрушению по всей траектории трещины, сопротивления, которое может изменяться с изме­ нением скорости трещины [2—4]. Поэтому свойство материа­ ла, определяющее длину остановившейся трещины, не есть просто К\т, а характеризуется частью кривой зависимости

') Сила, движущая трещину, может быть выражена или через интен­ сивность освобождения энергии £?j, или через коэффициент интенсивности напряжении К\\ минимальное сопротивление разрушению — через мини­ мальную энергию разрушения R\m, определяемую по зависимости энергии разрушения Rw от скорости трещины для распространяющейся трещины, или через минимальную трещиностойкость Кип, получаемую при помощи

и могут взаимно заменяться для выражения силы, движущей трещину, и сопротивления разрушению. Для упрощения изложения в данной статье используются значения коэффициентов интенсивности напряжений во всех случаях, когда это возможно.

так и больших скачков трещины без обращения к измерениям скорости трещины. Результаты, полученные для стали А533В на образцах ДКБ постоянной высоты, подтверждают жизне­ способность новой методики и иллюстрируют связь между К\а, Kim (или KID) и величиной скачка трещины. В статье рассмотрены также достоинства образцов различной формы, требования к размерам образцов и толщине, возможные верхние и нижние границы для величины скачка трещины и проблемы, связанные с ветвлением трещины и применением боковых надрезов. Показано, что применение двойных об­ разцов может привести к значительному снижению требова­ ний к размерам образца.

ОБРАЗЦЫ

Форма образцов

Основные факторы, определяющие выбор формы образ­ ца,— это возможная длина скачка трещины и стабильность траектории распространения трещины. Величина скачка за­ висит от вида зависимости KID о т скорости трещины для исследуемого материала (см. рис. 1). Если минимальное со­ противление разрушению соответствует очень низкой скоро­ сти трещины (рис. 1 ,а и 1,6), то тогда величина К т может быть получена по измерениям в процессе скачок — остановка трещины, характеризующемся низкой скоростью трещины и малой длиной скачка *). Если существует четкий минимум со­ противления разрушению при высокой скорости Vm (рис. 1,.в), то величина Кш должна получаться по измерениям в про­ цессе скачок — остановка трещины, обеспечивающем дости­ жение скорости, близкой к Vm, и значительную величину скачка трещины. Для жесткого нагружения клином 2)* и за­ данного объема материала образцы ДКБ постоянной высоты допускают наибольший скачок трещины, компактные образ­ цы — промежуточный, образцы с одним боковым надрезом в этом отношении наименее эффективны (рис. 2). Образцы

*) Обычно скорость и величина скачка трещины могут изменяться непосредственно [8— 12].

2) Схема испытания образца ДКБ, в которой нагружение в условиях фиксируемых смещений осуществляется посредством винта, ввинчиваемого в одно из плеч образца ДКБ и опирающегося на шариковую опору на другом плече, рассмотрена в работе: Маркочев В. М., Краев А. Г., Боб­ ринский А. П., Гольцев В. Ю., Самсонов, В. С. Исследование вязкости разрушения корпусной стали 12Х2МФА по моменту старта и остановки трещины при неизотермических условиях испытаний. — В сб.: Физика и механика деформации и разрушения. Вып. 4 — М.: Атомиздат, 1977, с. 41— 47. — Прим. ред.

48 Р. Хоагленд, А. Розенфилд, П. Гелен, Дж. Хан

траектории трещины в настоящее время переплетается с силь­ ной тенденцией к ветвлению трещин в стали А533В [9, 10, 13] и других низкопрочных сталях [ и ] . что будет рассмотрено в следующих разделах. Сейчас еще не ясно, позволит ли большое отношение Н /а для компактных образцов подавить ветвление трещины. Применение глубоких боковых надре­ зов является единственным способом ограничить как ветвле­ ние, так и нестабильность траектории трещины, который может быть реализован как для компактных, так и для об­ разцов ДКБ.

Требования к размеру образцов и толщине

Возможности для измерения Кип на образцах, показан­ ных на рис. 2, ограничены появлением больших пластических деформаций в образцах всех типов, которые проанализиро­ ваны в данной статье. Поэтому размеры образцов должны оставаться большими по сравнению с размером пластической

предел текучести материала, окружающего конец исходного надреза или трещины. Величина KQ может быть примерно на 10-4-30% выше, чем Кш, что определяется требованиями на длину скачка трещины. В табл. 1 приведены оценки макси­ мальных значений K Q, которые могут быть получены на раз­ личных образцах, имеющих предел текучести GY = 500 МПа, характерный для стали А533В, используемой для изготовле­ ния корпусов ядерных реакторов. Так как для корпусов ядерных реакторов практический интерес представляют ве­

достигнуто только на обычных образцах чрезвычайно боль­ ших размеров (например, на компактных образцах размера­ ми 600 мм X 720 мм).

Из табл. 1 следует также, что размеры образцов могут быть уменьшены примерно в 7 раз, а объем — в 50 раз, если

ленной стали (например, из закаленной и отпущенной стали 4340 с GY = 1380 МПа) к рабочей части. Требования к раз­ мерам образца на начало скачка трещины теперь определя­ ются пределом текучести стартовой части. На рис. 3, а показан такой двойной образец ДКБ постоянной высоты из сталей AISI 4340 и А533В размерами 140 мм X '400 мм X 50,4 мм