книги / Физические основы торможения разрушения

стабилизация достигается при дополнительном нагружении все-таки при статическом консольном изгибе балки.

Одним из методов разрушения материала в условиях, предельно близких к схеме Бенбоу—Реслера, является гидростатическое обжатие (см. рис. 84, е), впервые упомянутое Бриджменом [245]

иэкспериментально осуществленное впоследствии Керкхофом

[307].При этом методе направление распространения трещины совпадает с направлением приложения внешних сил. Поэтому

можно было ожидать высокой степени ортогональности трассы

кобразующей обжимаемого цилиндрического образца. Установка для исследования разрушения такого типа состояла

внашем случае из насоса высокого давления типа НСВД-2500, мультипликатора, а также системы управления и обеспечивала давление до 15 кбар. В качестве рабочей жидкости использовали

и качество поверхности излома на шлифованные образцы из орга­ нического стекла и сталей 45, ШХ15 диаметром 8—20 мм резцом наносили кольцевой надрез треугольной формы с углом раскры­ тия 15° и радиусом при вершине R — 0,1 мм. При этом глубина концентратора напряжений составляла t = 0,01; 0,025; 0,05; 0,075; 0,1; 0.25D. Исследования показали взаимосвязь между глубиной концентратора и давлением, при котором наступало разрушение. Так, образец диаметром 20 мм из органического стекла при t — = 0,0Ш разрушался, когда давление составляло р = 675-ь 4-682 ат, а при t = 0,Ш , когда р было равно 275-^-280 ат, та же зависимость наблюдалась и для остальных образцов. Поэтому

с точки зрения энергоемкости процесса желательно увеличивать

/глубину концентратора. Однако начиная с t > 0,2D качество излома заметно ухудшается. Это объясняется тем, что рабочая жидкость, проникая в концентратор, действует расклинивающе на его стенки, а это в свою очередь нейтрализует эффект стабили­ зации, по Бенбоу и Реслеру, траектории движения трещины и при t > 0,35D приближает разрушение стержня к типичному разрыву образца осевыми усилиями с чашечной поверхностью излома.

Таким образом, глубина концентратора напряжений не дол­ жна быть больше 0,2D во избежание неудовлетворительного ка­ чества поверхности излома, хотя при этом и происходит значи­ тельное снижение энергоемкости разрушения. Вместе с тем умень­ шение глубины концентратора, хотя и ведет к возрастанию гидро­ статического давления обжатия, одновременно улучшает каче­ ство поверхности излома (высокая плотность, прямоугольность торцов, отсутствие вырывов, сколов). Поэтому оптимальная глубина концентратора должна составлять 0,035—0,05D.

221

Анализируя гидравлическое обжатие, при котором наблю­ дается разрушение обсуждаемого вида—«пинч-эффект», Г. П. Че­ репанов [246] приходит к выводу, что обусловливают его системы микротрещин, всегда существующие на поверхности материала. Проникая в них, жидкость создает расклинивающие усилия, приводящие, в конечном итоге, к разрыву материала. Если при этом характерный размер трещин в упругом теле обозначить через /, а характерный размер концевой области трещины, в кото­ рой действуют силы сцепления, — через d, то отношение проч­ ности на сжатие ст_ к прочности на растяжение о+ примет вид

С целью дальнейшего уменьшения энергоемкости разрушения образцов диаметром 20 мм в вершине концентратора термическим путем зарождали трещину глубиной 0,15—0,3 мм. Это позволило снизить величину разрушающего гидростатического давления для стали с 7800 до 2450 кгс/сма, а для стекла, в котором трещину зарождали механически, с 670—682 до 110—80 ат. Фрактографический анализ показал, что разрушение при статическом нагруже­ нии всегда идет из одной «точки», расположенной на поверхности образца, даже в отсутствие концентратора напряжений.

Результаты исследований показали, что ширина нагружения сама по себе на энергоемкость разрушения не оказывает сущест­ венного влияния. При одном и том же концентраторе разрушаю­ щее усилие меняется в пределах 10—18%, что связано как с точ­ ностью нанесения концентратора, так и с дефектностью самого чугунного материала. Однако начиная с ширины нагружения, меньшей 0,25D, качество излома заметно ухудшается и поверх­ ность становится рваной. Это связано с тем, что на стабилизирую­ щие напряжения сжатия накладываются напряжения сжатия от уплотнений, герметизирующих гидрополость. Тем самым нару­ шается упруго-напряженное состояние в зоне ожидаемого излома и стабилизация траектории трещины. Поэтому для получения хорошей поверхности излома необходимо осуществлять нагруже­ ние по длине не менее 0,25D.

5. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

ПРИ СТАБИЛИЗИРОВАННОМ РАЗРУШ ЕНИИ

Целесообразность внедрения в практику холодной ломки ме­ талла определяется в первую очередь качеством получаемых поверхностей раскола. Так, если бы после резки металла трещиной поверхность разрушения имела сложную по геометрии и ампли­ туде отклонения от главного направления морфологию, то неиз­ бежная впоследствии механическая обработка со снятием значи­ тельного слоя металла свела бы на нет преимущества этого спо­ соба.

222

Рассмотрим в связи с этим траекторию распространения хруп­ кого разрушения в низкоуглеродистых сталях при условии, когда вдоль направления трещины приложено сжимающее усилие [247]. Предполагается, что едва ли не определяющим в этом процессе является переход трещины из зерна в зерно, связанный с почти неизбежным изменением направления разрушения, обусловлен­ ным разориентировкой плоскостей спайности в смежных кристал­ литах. Внутри зерна переход разрушения на другую кристалло­ графическую плоскость считается исключенным. Выбор одной из трех плоскостей спайности определяется, согласно [247], факто­ ром интенсивности нормальных напряжений, максимальным для активной плоскости распространения трещины.

Прежде всего рассматривается изотропная однородная упру­ гая среда, моделирующая распространение трещины в пределах одного кристаллита. Трещина длиной 2с располагается в среде, подверженной на бесконечности действию как растягивающих, так и касательных напряжений. Пусть сг (г, 0) — нормальные на­ пряжения на плоскости ОР в точке Р вблизи вершины трещины.

где положительный и отрицательный знаки — для т > 0 и т < О

мому одноосными напряжениями. Траектория трещины состоит

теперь из сегментов Р'о, Р 0» P QP H •••♦ Рп-и Рп-ъ каждый из ко­ торых отвечает движению трещины в пределах одного кристал­ лита. Пусть Хо» Xi» Хп-г — углы между положительным направ­

223

ванный случай, при котором максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений Na (0) всегда совпадает с плоскостью спайности, %п — угол между направлением распространения тре­ щины в п зерне на стадии Р „ _ Л характеризуется выражением

Далее рассматривается определение величин %i* %2, %п в слу­ чае, когда %о выбрано произвольно. Получаются соотношения, не зависимые от

Из этих уравнений следует, что отклонения направления рас­ пространения трещин от направления оси в двух последователь­ ных стадиях разрушения противоположны по знаку. В результате окончательная траектория разрушения представляет собой лома­ ную линию, состоящую из сегментов, наклоненных под углами 45 и —45° к положительному направлению оси. Таким образом, усредненная макроскопическая траектория в установившейся стадии параллельна оси х независимо от ориентировки начальной микротрещины.

Более сложной является ситуация [247], когда плоскости максимальных коэффициентов интенсивности напряжений в устье трещины не совпадают с плоскостями спайности. В дву­ мерном случае в этих условиях существуют две плоскости спай­ ности, потенциально способные быть вскрытыми, пересекающие кончик трещины Рп_г (СгС3 и С2С4) в зерне Gn ортогонально друг другу. Допускается, что все четыре направления, по которым может расти трещина, лежат внутри зерна Gn. Вместе с тем ясно,

наибольшей. В то же время кристаллографическая ориенти­ ровка зерен случайна. Из этого следует, что все плоскости, про­ ходящие через вершину Рп_1э имеют равные возможности ока­ заться плоскостями разрушения.

Оказывается [247], что направление распространения тре­ щины на п стадии локализовано в угловой области зт/2, в которой

224

<(Х л - l) -

Далее 1247] анализируется распространение трещины, заро­ жденной микротрещиной с произвольной исходной ориенти­ ровкой Хо* Вводится функция плотности вероятности Нп (х)* определяющая направление роста трещины на я-стадии.

Для первой стадии, т. е. первого зерна:

Аналогично для произвольной стадии, т. е. зерна я:

+180

чески симметрия имеется уже на ранних стадиях. Это можно видеть из сопоставления углов отклонения трещины от магистрального направления при различных я: он равен 0,58° при я = 10; 0,53° при я = 20; 0,48° при п — 30.

Следовательно, при одноосном сжатии разрушающегося поли­ кристалла в направлении растущей трещины независимо от ориен­ тировки исходного надреза стабилизация трещины в макроско­ пическом плане достигается уже на первом десятке зерен и в даль­ нейшем лишь совершенствуется.

Ишикава отмечает [247], что если разрушение начинается от трещины, длина которой намного больше величины зерна, траектория разрушения отличается от приведенной выше и имеет зигзагообразный вид.

Г л а в а V III

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УПРУГИХ ВОЛН С ТРЕЩИНОЙ

Хорошо известно, что под воздействием мощных упругих волн, полученных, в частности, взрывом зарядов в. в., твердые тела способны разрушаться. Эти вопросы подробно изложены, напри­ мер, в монографиях Рейнхарта, Пирсона и Кольского [282— 284]. Нередко охрупчивание материалов вызывают упругие волны относительно малых амплитуд. Так, Шемакер [285], рассматри­ вая поведения сталей при низких температурах, показал, что волны напряжений, будучи наложенными на статические растя­ гивающие нагрузки, способны активно влиять на устойчивость трещины. Параметр К\с снижался при динамическом нагруже­ нии, вызванном ударом шарика, бруска и молотка, на 26%. Нестационарные упругие волны, возникавшие при этом, своими растягивающими компонентами содействовали, таким образом, развитию трещины.

Таблица б

ВЛИЯНИЕ УПРУГИХ ВОЛИ НА КОЭФФИЦИЕНТ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ Б ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ*

* /СдИ„ — коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины в волне; Кст — то же, в статическом поле напряжений.

** За исключением данного случая, трещина всюду неподвижна.

226

Активное влияние волн сжатия, сдвига, изгиба и др. на коэф­ фициент интенсивности напряжений в вершине трещины пока­ зано во многих теоретических работах (табл. 6). Данные этих работ свидетельствуют о широких возможностях управления распространением и торможением трещины.

В настоящей главе рассматриваются дифракционные явле­ ния, наблюдающиеся при взаимодействии упругих волн различ­ ной природы с трещиной. Предполагается возможным такое раз­ витие этих процессов, при которых концентрация напряжений в вершине трещины может регулироваться, в частности умень­ шаться.

1.В ЗА И М О ДЕЙ С ТВИ Е УПРУГИХ СТАЦ ИОНАРНЫ Х ВОЛН

СТРЕЩ ИНОЙ

Одними из первых исследований в этом направлении были работы Керкхофа [249]. В основу их автор положил явления, возникающие в хрупком материале при одновременном и неза­ висимом возбуждении в нем ультразвуковых колебаний и разрыва. Ультразвуковые волны от высокочастотного генератора мощ­ ностью примерно 100 Вт и частотой —5 МГц вводили в образец под различными углами. Это позволяло получать в материале либо продольные, либо поперечные упругие колебания, либо, наконец, и те и другие одновременно. Под воздействием волны распространяющаяся трещина периодически меняла свою траек­ торию. Возникшая вследствие такого модулирования фрактографическая структура поверхности раскола позволяла, зная пара­ метры волны, надежно оценить и режим разрушения.

Интересны в этом отношения работы Ю. Ф. Балалаева [285— 288], разрушавшего стержни переменного сечения мощными низкочастотными ультразвуковыми продольными колебаниями в области 16—50 кГц. Волны возбуждались пьезоили магнитострикционными вибраторами. В режиме ударного авторезонансного возбуждения колебаний достигалась скорость нарастания амплитуды колебаний в образце порядка 104 кгс/мм2*с. В этих условиях материал разогревался, в нем зарождалась трещина и под действием ультразвуковых волн распространялась через все сечение.

Известно, что вибрации, вызванные звуковыми шумами доста­ точно высокой интенсивности, способны ощутимо влиять на заро­ ждение и, что нас сейчас особо интересует, на распространение трещины. Петрусевич [289] исследовал разрушение авиацион­ ных конструкций хвостовых частей самолетов под действием мощ­ ных звуковых потоков, возбужденных двигателями.

Для современного сверхзвукового самолета звуковой спектр весьма широк. Так, для Конкорда диапазон частот распростра­ няется от инфракрасных до ультразвуковых. Однако максимум интенсивности приходится на диапазон 100— 1000 Гц. Опыты

показывают, что в хвостовой части фюзеляжа доминирует уча­ сток спектра 100—250 Гц с уровнем примерно в 125 дБ.

В опытах Петрусевича были использованы устройства для генерирования шумов именно такого класса. Применялся громко­ говоритель мощностью 100 Вт со специально сконструированным рупором, дающим граничную частоту в 122 Гц. Аэротрубу с от­ крытыми концами и выступами для крепления образца устанав­ ливали в непосредственной близости от рупора. При выборе ширины акустического спектра учитывали то обстоятельство, что трещина, особенно короткая, реагирует на множество коле­ баний различных частот, а также на изменение резонансной частоты, отвечающей максимальной чувствительности трещины, с ее подрастанием. Именно на этом основании колебания возбу­ ждались в диапазоне 100—250 Гц. Для длинных трещин, имею­ щих, по мнению Петрусевича, одну определенную частоту возбу­ ждения, возмущающий диапазон частот был существенно меньше.

Плоские образцы подвергали нагружению до образования исходной трещины, после чего помещали в аэротрубу и озвучи­ вали в течение тысяч часов. Оказалось, что для распространения трещин превалирующим фактором является шумовая интенсив­ ность, возбуждающая пластину при заданной частоте. При этом длинные трещины более чувствительны и расширяются с более высокой скоростью, чем короткие.

2. ВЗАИМ ОДЕЙСТВИЕ УПРУГИХ И М П УЛ ЬСО В СЖ АТИЯ

СО СТАЦИОНАРНОЙ М АКРОСКОПИЧЕСКОЙ ТРЕЩ ИНОЙ

В работах [290, 291 ] приводятся некоторые результаты иссле­ дования поля напряжений в окрестности стационарной макро­ трещины при воздействии на нее волны напряжений.

Материалом для исследования служили полимеры. Установлено явление дифракции волны сжатия у вершины трещины. Возник­ шая при этом вторичная волна распространяется навтречу основ­ ной по противоположному берегу трещины. Концентрация напря­ жений определяется углом ввода волны на плоскость трещины. Наибольшая концентрация напряжений возникает при мини­ мальных углах падения волны; это означает, что основную роль в формировании поля напряжений в вершине трещины играют смещения частиц среды, направленные вдоль трещины.

Схема установки, на которой выполнялись эксперименты, приведена на рис. 89.

При помощи двух высоковольтных выпрямителей конденсаторы заряжаются через зарядные сопротивления R lt # 3. Величина зарядного напряжения регу­ лируется при помощи автотрансформаторов по приборам K lt /С4. После зарядки конденсаторов Clt С2 до напряжения источника (контроль осуществляется при помощи киловольтметров /С2, Кз) включается скоростная кинокамера СФР-1.

Подачей высоковольтного импульса с пульта управления пробивается разряд­ ник Р. При этом происходит разряд конденсатора С2 через проволочку диаметром

0,02 мм, в результате чего последняя взрывается и ударная волна через столб

228