книги / Хрупкость металлов при низких температурах

5. /-интеграл как критерий разрушения

Исследования последних лет показали, что /-интеграл — перспективный параметр для описания разру­ шения в условиях развитого пластического течения. Нише приве­ дены некоторые новые результаты, на основе которых обсужда­ ется физический смысл этого параметра. Однако вначале необхо­ димо кратко остановиться на существующих в настоящее время методах экспериментального определения /-интеграла.

Общие предпосылки. Как и в случае критериев линейной ме­ ханики разрушения, возможно использование нескольких или по крайней мере двух критических значений /-интеграла приме­ нительно к трещине нормального раскрытия: / ic- и /(.-крите­ риев. Во многих экспериментальных работах [252, 265, 268, 367, 370] определяются значения / 1с, чтобы затем по ним установить Kic и применить эту величину по известным приемам к конструк­ ции. С этой целью момент достижения величины J\c отождествля­ ется с началом страгивания трещины, и различные ухищрения ла­ бораторных методик направлены на установление этого момента. Критическую величину / с принято связывать с моментом дости­ жения максимальной нагрузки. При хрупком разрушении мате­ риалов обе величины равны, если до начала нестабильного рас­ пространения трещины не происходит ее медленного роста (это условие обычно соблюдается на практике). Однако применение / - интеграла как критерия разрушения перспективно именно для области вязких разрушений, когда моменты начала движения трещины и ее перехода в нестабильное состояние разделяет ин­ тервал нагрузок, соответствующий докритическому росту трещи­ ны. В этой связи характеристика материала / Гс, относящаяся к развитию трещины нормального отрыва в условиях плоской де­ формации, пе должна зависеть от геометрии образца с трещиной и поэтому является более универсальной по сравнению с величи­ ной / с. В связи с этим, как и в линейной механике разрушения, из двух указанных характеристик главную роль с точки зрения

к случаю косого излома при плоском напряженном состоянии (обычно в области квазихрупких и вязких разрушений на поверх­ ности разрушения можно наблюдать развитие «губ среза», роль которых в поглощении энергии может быть весьма существенной).

Первыми работами, в которых была обоснована методика эк­ спериментального определения характеристики Jic, являются, по-видимому, публикации [265, 367, 368]. В работе [368] на об­ разцах различной геометрии, радикально отличавшихся струк­ турой полей линий скольжения, показана нечувствительность определяемой величины J\c к такой структуре. Это позволило

авторам прийти к заключению, что /-интеграл можно успешно применять в качестве критерия разрушения в области как линей­ но-упругого, так и полностью пластического поведения материала для сталей низкой и средней прочности. Методика основывалась на представлений /-интеграла как скорости освобождения энер­ гии (2.32) и предполагалось исследование нескольких образцов, различающихся исходной длиной трещины. Устанавливая точную связь между смещением точек приложения нагрузки, значением /-интеграла и приращением трещины, она не позволяла точно определить момент страгивания трещины.

Вэтой связи предложены два других метода [268, 369]. Один из них [369] основан на предварительном нагружении нескольких образцов до различного уровня нагрузки, специального окраши­ вания корня трещины, последующего разрушения всех образцов при низкой температуре и исследования на каждом образце вели­ чин докритического прироста трещины, по которым затем строи­ лись Л-кривые. Принципиальными особенностями метода явля­ ются отказ от интерпретации /-интеграла как скорости освобожде­ ния энергии и использование для его вычисления приближенной формулы, включающей площадь под диаграммой нагрузка — сме­ щение точек ее приложения. Этот способ экстраполяцией пологого участка Д-кривой до пересечения с линией затупления вершины позволял определить предполагаемый момент начала докритиче­ ского роста трещины и оценить величину J\c. В настоящее время метод рекомендован для включения в стандарты АОИМ.

Воснову метода, предложенного в работе [268], положен принцип измерения податливости образца в процессе нагружения. Для этого через определенные промежутки следует производить небольшую разгрузку (до 10% величины действующей нагрузки) образца и по наклону участка диаграммы разгрузки или повтор­

ного нагружения определять изменение податливости образца и связанное с ним приращение трещины. Такой способ требует очень чувствительной регистрирующей аппаратуры для записи диаграммы нагрузка — смещение точек ее приложения, но, по утверждению авторов, дает удовлетворительные результаты. Не­ достатком метода является также необходимость чередования на­ грузок и разгрузок, хотя и небольших, но способных приводить к изменениям структуры пластической зоны в вершине трещины по причинам, рассмотренным в главе первой. Эти. изменения могут влиять на свойства материала в зоне предразрушения (область материала, расположенная непосредственно у кончика трещины, где при разрушении происходит разделение материала) и, следо­ вательно, на условия страгивания трещины.

Другие методы определения / i c, основанные на использовании измерений электрического потенциала, регистрации отраженных от поверхности трещины сигналов ультразвука, наконец, установ­

ТилиК

ресно сравнить его с К\с. В зависимости от свойств материала мо­

Jie должна соответствовать началу роста трещины. Если в этих условиях будет иметь место разрушение сколом, то Д-кривая (/), как схематически показано на рис. 49, будет весьма пологой и большого различия между К\С(]) и Jic ожидать не следует. При вязком механизме разрушения Д-кривая (2) может быть зна­ чительно круче, а нагрузка, соответствующая приросту трещины на 2% , существенно превышает таковую в момент начала роста

трещины. В этом случае значение &ic(2)должно превышать значение К\с, рассчитанное по Jic с помощью формулы (2.53), Однако полу­ чение для сравнения корректных значений K jc стандартными ме­ тодами при этом затруднительно, так как могут потребоваться образцы слишком больших размеров. Эксперименты на образцах различной толщины [370] показали возможность предсказания характеристики К\с по результатам определения J\c на сравни­ тельно малых образцах. Одним из важных преимуществ харак­ теристики J 1с являются пониженные требования к минимальному размеру образцов по сравнению с образцами для стандартных испытаний на К\с. Требование, которому должна удовлетворять, например, толщина образцов для получения достоверных значе­ ний / 1с, по данным работы [370], имеет вид

в частности от его способности к деформационному упрочнению. Сравнение этой формулы с формулой, рекомендуемой при испы­ таниях на Kjo

В > 2,5 f , (2.55)

показывает, что для сталей низкой и средней прочности последняя формула требует толщин образцов, в десятки раз больших, чем следует из условия (2.54). Типичные результаты влияния толщины образца на Jjc и / с приведены на рис. 50.. Видна относительная нечувствительность Jie (светлые точки) к толщине и сильная за­ висимость Jc (темные точки) от толщины. Как будет показано ни­ же, последняя характеристика, определявшаяся по максимальной нагрузке на образец и связанная с общим течением материала в ослабленном трещиной сечении, в соответствии с теорией линий

Оценка трещиностоикостн стали 15Х2НМФА. В данной рабо­ те изучалось влияние размеров образцов на вязкость разрушения стали 15Х2НМФА при комнатной температуре [116]. Материал

му: закалка после выдержки при 1200 К в течение 10 ч в воду, отпуск при 950 К в течение 10 ч.

Образцы, испытываемые на сосредоточенный изгиб, имели поперечное сечение, перпендикулярное к направлению прокатки, и по размерам были разделены на шесть серий (табл. 3). По на­ правлению развития трещины все образцы можно разбить на две группы: для образцов с отношением BJW = 0,75 направление рас­

но, приведенные результаты не должны существенно отличаться от данных, полученных по методике, изложенной в работе [367], согласно которой критическое значение /-интеграла относится либо к нагрузке, соответствующей страгиванию трещины на бо­ ковой поверхности образца, либо к максимальной нагрузке. По-видимому, наши результаты также не должны значительно отличаться от тех, которые соответствуют определению Пэриса [479], по которому критическое значение /-интеграла идентифици­ руется по нагрузке, соответствующей приращению трещины

4

Критическое значение /-интеграла для самых крупных образ­ цов устанавливалось по моменту срыва нагрузки на диаграмме разрушения, соответствующему началу нестабильности трещины. Зависимость полученных таким образом значений К ш, рассчитан­

выполнялось для всех образцов, за исключением образцов серии 46 (см. табл. 3). Из рисунка видно, что определявшееся критиче­ ское значение /-интеграла в основном не проявляет зависимости от толщины образца, что может свидетельствовать о приемлемости этой характеристики в качестве критерия разрушения. В то же время рассчитанная по ней величина Кпс « 357 М Н/м^ пред­ ставляется большой по сравнению с привычными для многих кон­ струкционных сталей корректными значениями трещиностой кос­ ти К 1с.

6. Зависимость предельного состояния материала от температуры и скорости нагружения

В основу каждого из рассмотренных выше критериев механики разрушения положен какой-либо один ха­ рактерный признак напряженно-деформированного состояния материала в вершине трещины, например локальная интенсивность напряжений (критерий К хс), локальная деформация (раскрытие

трещины в нестабильное состояние.

Однако в силу своего происхождения критерии механики раз­ рушения дают возможность лишь сравнивать материалы по вели­ чине трещиностойкости, не отвечая на вопрос, почему материал обладает данной трещиностойкостыо и как можно ее повысить. Это свойство критериев механики разрушения хорошо проявляет­ ся, например, при анализе влияния температуры и скорости нагру­ жения на характеристики разрушения металлов. Известно, что температура и скорость нагружения могут играть решающую роль в переходе материала из вязкого состояния в хрупкое, в чем отра­ жается физическая сущность явления хрупкости металлов. Одна­ ко эти параметры в явном виде не входят в критерии механики раз­ рушения.

На рис. 55 показана зависимость K Q от температуры для трех скоростей нагружения, детально анализировавшаяся в работе [421]. Значения K Q , расположенные слева от пика на каждой кривой, соответствуют определению K Q по разрушающей нагруз­ ке и близки или совпадают со значением К ic для малоуглеродистой стали. Все значения K Q , расположенные справа от пика, опреде­ лялись в соответствии со стандартом [16] по 5%-ной секущей н к процессу разрушения отношения не имеют (подробнее см. в гла­ ве пятой). Пики на кривых являются как бы границей раздела между температурными областями хрупкого и вязкого разрушений, поэтому соответствующие им температуры доляшы быть связаны с критическими температурами хрупкости при соответствующих условиях нагружения. Как и для гладких образцов [25, 497], наблюдается линейная связь обратной температуры хрупкости с логарифмом скорости нагружения (рис. 56). Зависимость К\с от скорости нагружения для трех температур, расположенных слева от пика (см. рис. 55), показана на рис. 57.

Приведенные выше данные отражают лишь некоторые, но весь­ ма важные закономерности влияния температуры и скорости на­ гружения на характеристики хрупкого разрушения металлов. Не менее важным является установление характера влияния струк­ туры материала на закономерности разрушения и температуру хрупкости.

Фактически хрупкое разрушение металла — это распростра­ нение трещины отрыва в реальном упруго-пластическом материале с упрочнением, и понять его можно только на основе корректного анализа напряженно-деформированного состояния материала в вершине трещины. Описанные в главе первой результаты могут служить фундаментом комплексного рассмотрения проблемы хрупкого разрушения металлов, когда напряженно-деформирован­ ное состояние определяется в континуальном приближении, а процессы пластического течения и собственно разрушения, соот­ ветствующие предельному состоянию материала в вершине, ана­ лизируются с позиций дискретного строения материала.

По существу, в вершине трещины, как в фокусе, сконцентриро­ вано многообразие процессов, сопровождающих пластическое течение и разрушение материала: от малых упруго-пластических деформаций до окончательной потери материалом устойчивости, связанной с исчерпанием его способности сопротивляться разру­ шению. Очевидно, что с этой точки зрения принципиальный инте­ рес представляют: 1) контур пластической зоны как геометрическое место точек, в которых удовлетворяется условие текучести и ко­ торыми определяются конфигурация и размеры пластически де­ формированной области; 2) связанное с законом упрочнения рас­ пределение напряжений и деформаций в пределах пластической зоны; 3) примыкающая непосредственно к вершине трещины об­ ласть материала, где происходит разрушение. В свою очередь окончательное выяснение процесса разрушения, локализованного в вершине трещины, предполагает необходимость изучения на­