книги / Хрупкость металлов при низких температурах

ГЛАВА 5

КИНЕТИКА РАЗРУШЕНИЯ ТЕЛ С ТРЕЩИНАМИ

Полученные при испытании сплошных № трубчатых образцов результаты дают определенное представле­ ние о поведении материала в пределах пластической зоны в верши­ не трещины. Интересно сопоставить эти данные с результатами для образцов из того же материала и тех же условий эксперимен­ та, но с заранее созданными трещинами. Такое сопоставление позволило бы не только более детально понять процессы, проис­ ходящие в вершине макроскопической трещины, но и проверитьнекоторые представления о роли в хрупких разрушениях таких важных факторов, как температура, скорость нагружения, де­ формационное упрочнение и др. Приведенные в настоящей главевыводы основаны на комплексе экспериментальных данных, состоящем из трех обширных серий экспериментов, выполнен­ ных на одном и том же материале: опыты по растяжению, позволившие получить количественные характеристики процес­ сов пластической деформации (см. параграфы 4 — 7 главытретьей); опыты по деформации при плоском напряженном состоя­ нии, позволившие сделать выводы о работе материала в условиях напряженного состояния, близкого к существующему в вершине трещины (см. параграфы 1—3 главы четвертой); опыты по разру­ шению листового материала с заранее созданными надрезами, ре­ зультаты которых описаны ниже.

1.Влияние температуры

искорости нагружения

на нестабильность трещины

Для изучения критического состояния .ме­ талла в вершине острого надреза и влияния на него условий на­ гружения проведена серия испытаний листовых образцов с двой­ ными боковыми симметричными надрезами [1, 104], а также с центральной симметричной сквозной трещиной [109, 110, 421]. Основными исходными материалами служили техническое железо

вершине каждого надреза [339]. Два различных метода про­ филирования вершины надреза обеспечивали вершины с ра­ диусом закругления 0,03 и 0,10 мм. Следует указать, что, по данным работы [340], радиус надреза ниже 0,1 мм для малоуглеродистых сталей не вызывает изменений критического раскрытия трещины в области комнатной и низких температур.

Основная цель использования образцов с двойными симмет­ ричными боковыми надрезами — получение пластических зон кри­ тического размера в вершинах пары неразрушенных надрезов и их исследование. Эксперименты проведены при температурах 293, 223, 173, 123, 98 и 78 К в парах азота или жидком азоте.

Зависимость разрушающих нетто-напряжений <зт от темпера­ туры для двух скоростей Kj показаны на рис. 136 (кривые 4 и 5). Для сравнения приведена температурная зависимость разруша­ ющих напряжений (кривая 3) для гладких цилиндрических об­ разцов с тем же средним размером зерна (0,06 мм). Кривые 1 и 2 показывают температурную зависимость разрушающих напряже­ ний для трубчатых образцов с размером зерна 0,03 мм, испытан­ ных в условиях плоского напряженного состояния, приближа­ ющегося к условиям в вершине трещины. На рисунке приведены также температурные зависимости значений предела текучести,

имеющих место на контуре пла­ стической зоны (кривые 6 и 7). Поскольку условием текучести на контуре является равенство эквивалентного напряжения пределу текучести, при анализе необходимо учитывать действи­ тельную скорость деформации на упруго-пластической грани­ це и именно для этой скорости определять предел текучести.

Скорость деформации па кон­ Рпб. 137. Температурная зависи­

Использовалась также более точная формула, пригодная и-

Уточненное значение K l с помощью формулы (5.1) дало возмож­ ность уточнить значение &е на контуре зоны в момент разруше­ ния и в свою очередь найти следующее приближение для ат наконтуре зоны. Из-за слабой скоростной зависимости предела текучести для хорошей сходимости результатов достаточно было нескольких уточнений. Определенные таким образом темпера-

вытянутая (рис. 138). С понижением температуры отношение ширины к длине пластической зоны в момент разрушения

формации и ее градиента по мере приближения к вершине надре­ за. Такая тенденция наблюдается вплоть до самой низкой темпе­ ратуры (78 К), при которой пластическая зона едва различима. Существует мнение, что образование узкой клиновидной зоны пластической деформации в вершине надреза связано с отсутстви­ ем деформационного упрочнения (« = 0) на площадке текуче­ сти пли с наличием срыва напряжений на верхнем пределе теку­ чести [299, 466]. Для различных материалов, исследованных в этих работах, зопа сужается по мере снижения показателя де­ формационного упрочнения п. С понижением температуры (сле­ довательно, с понижением ri) при одном и том же значении отно­ шения ап!аг отношение ширины к длине зоны становится боль­ шим, тогда как структура ее все больше представляет собой набор очень узких клиновидных полос материала, подверженного интенсивным пластическим деформациям (рис. 139). В соответ­ ствии с формулами (1.28) для распределения деформаций в пре­ делах пластической зоны с понижением от п — 1 (идеально упругое поведение) до п = 0 (идеально пластическое поведение) закон распределения деформаций в пределах пластической зоны

в его вершине приводит к хрупкому разрушению и падению на­ пряжении уже при Т < 150 К (это не означает, что в данном случае разрушение не связано с необходимостью зарождения микротрещин). В области вязких разрушений (Т > 173 К) раз­ рушающие напряжения для гладких образцов заметно выше, чем для надрезанных, причем разность между ними с ростом тем­ пературы остается постоянной. Вызвана она различным характе­ ром протекания процесса вязкого разрушения: в гладких ци­ линдрических образцах разрушение происходит после образо­ вания шейки путем слияния микропор; в плоских надрезанных образцах напряженное состояние в вершине вязкой трещины существенно отличается. В первом случае имеет место объемное

для гладкого цилиндрического образца; апс — разрушающее нот- то-напряженпе для плоского надрезанного образца. В опреде­

показаны температурные зависимости этих характеристик для трубчатых и плоских надрезанных образцов при сопоставимых напряженных состояниях, но несколько различающихся раз­ мерах зерен (0,03 и 1,7 мм для трубчатых образцов и 0,06 мм — для плоских). Как видно из рисунка, в отличие от разрушающих напряжений деформационные характеристики (&тах для гладких образцов и Ô, — для плоских) ведут себя примерно одинаково (кривая 2 соответствует напряженному состоянию в вершине надреза, т. е. кривой 4; при этом напряженном состоянии увели­ чение диаметра зерна до 0,06 мм на трубчатых образцах должна сдвинуть кривую 2 вправо и еще больше приблизить ее к кривой 4, как видно из сопоставления кривых 2 и 5). Следовательно, для изученного материала надрезанные н гладкие образцы при сопо­ ставимых напряженных состояниях и скорости нагружения в вершине надреза и на образце проявляют близкую температуру перехода в хрупкое состояние. Условия образования пластиче­ ской зоны в вершине зародившейся микротрещины в гладком об­ разце оказывают определяющее влияние на переход материала из пластического состояния в хрупкое. В случае достаточно боль­ ших трещин, что имело место в надрезанных плоских образцах, формирование пластической зоны в вершине трещины при низ­ ких температурах достаточно хорошо описывается зависимостью (2.15), о чем свидетельствуют данные рис. 140 и 142, а.

Критический размер пластической зоны. Полученные экспери­ ментальные данные позволяют оценить характеристики микроме-

зоны (2.15) и формулы (5.4) можно установить связь между кри­ тическим размером пластической зоны 2rpc и пределом текучести тт:

С учетом вполне определенной температурной зависимости показателя п (см. рис. 85, 87 и 117) из выражения (5.4) следует, что нельзя ожидать простой зависимости между К* и тх, измерен­ ных при различных температурах. Тем не менее, как видно из рис. 144, при хрупких разрушениях независимо от температуры