книги / Хрупкость металлов при низких температурах

разработанной ранее методике [142] на образцах из указанной ста­ ли толщиной от 300 до 12 мм, испытываемых на сосредоточенный изгиб и внецентренное растяжение (последние образцы испытаны в диапазоне температур 78—293 К). Съемки стереопар произво­ дились при угле конвергенции 20 = 5°. Разность высот между двумя точками объекта в предположении ортогонального проекти­ рования определяли по формуле [13, 33]

АН = ~^ АР. TT ,

2М sm 0 ’

где АР — разность продольных параллаксов (разность расстояний между изображениями двух точек объекта на двух снимках сте­ реопары); М — увеличение фотографии. Оценка погрешности из­ мерений выполнена в работе [206].

(Стереопара, моноскопические снимки зоны вытяжки, а также соответствующие им измеренные профили рельефа для нескольких образцов приведены на рис. 38 и 39. Ввиду существенной неравно­ мерности по фронту трещины ширины и высоты зоны вытяжки эти величины получены усреднением результатов измерений не ме­ нее четырех профилей изломов для каждого образца. Из рисунков видно, что стереоскопические измерения дают возможность прямого определения высоты зоны вытяжки. Поскольку при этом оказы­ вается также возможным измерить ширину зоны вытяжки, пред­ ставляет. интерес установление фактической связи между ними. На рис. 40 приведены результаты определения зависимости между h и w, показывающие, что для изученного материала приемлемо соотношение

соответствующее зависимости (2.43). Измерение высоты и ширины зоны вытяжки на образцах различной толщины, испытанных при комнатной температуре, в пределах разброса результатов показала отсутствие ощутимого влияния толщины на размеры зоны вытяжки (рис. 41). Следует отметить, что диаграммы нагрузка — раскрытие трещины для образцов разной толщины существенно различались (см. табл. 2): внешний вид изменялся от диаграммы с большим по­ логим участком для образцов малой толщины до диаграммы ти­ пично хрупкого разрушения без видимого докритического роста трещины и с резким спадом нагрузки. Тот факт, что при наличии столь резко различающихся диаграмм разрушения размеры зоны вытяжки остаются практичеоки неизменными, объясняется воз­ можной идентичностью условий начала роста трещин в образцах всех исследованных размеров: докритический рост трещины в каж­ дом образце начинается в момент достижения раскрытием трещины критической величины ôc. Однако если в образцах небольшой тол­ щины трещина должна совершить несколько скачков докритиче­ ского роста прежде чем достигнет нестабильного состояния, то в образцах крупных сечений первый скачок докритического роста

считанную по критическому значению / i c, найденному по методике, изложенной в работе [369]). Такое несоответствие может быть связано с тем, что в рассматриваемой температурной области пер­ вое продвижение трещины начинается раньше, чем предсказывает методика, предложенная Лэндисом и Бэгли [369], с помощью которой определялось значение K ic (пересчетом по Jic). В этом случае стереоскопические измерения высоты зоны вытяжки должны давать более реалистические значения вязкости разрушения, ■объясняя причину, почему найденные пересчетом по Jjc значения К 1с для изученной стали могут достигать 200—250, а иногда и 300 МН/м'А ..

Для проверки этого предположения поверхности разрушения образцов подвергались дополнительному обследованию на рас­ стояния от вершины трещины усталости, существенно превышаю­ щие ширину зоны вытяжки и соизмеримые с длиной области докритического роста трещины. Установлено, что область докритического роста трещины состоит из перемежающихся участков (рис. 43), соответствующих пластическому затуплению вершины неподвиж­ ной трещины и движению распространяющейся по вязкому мехаяизму трещины. Этот факт находит логическое подтверждение известной концепцией Д-кривых [196], предполагающей возмож­ ность увеличения сопротивления развитию трещины с ростом ее длины. Замечено также, что с понижением температуры площадь перемежающихся участков в области докритического роста, а также протяженность самой области уменьшаются.

Стереофрактографическое обследование области докритического роста трещины открывает принципиальную возможность незави­ симого построения Д-кривой по результатам измерения высоты

Ill

II

Рис. 44. Идеализированная схема промежуточных положении (7—4) фронта трещины на стадии докритического роста, соответ­ ствующих промежуточным зонам вытяжки (а), и относящиеся к ним Д-кривые (6):

I — в среднем сечении образца (1 — I); 11 — вблизи свободной боковой

поверхности образца (II—II); III — по методике, приведенной в работе

[309].

промежуточных зон вытяжки и длины участков докритического роста трещины на поверхности разрушения (рис. 44). Существую­ щая обычно крпволинейность фронта трещины существенно услож­ няет процесс построения Д-кривой и требует разработки специаль­ ных методов учета кривизны фронта. Однако уже на основании имеющихся данных можно оценить, насколько корректным явля­ ется предположение работы [369] о линейности Д-кривой и како­ му приращению длины трещины соответствует критическое зна­ чение /-интеграла. Вследствие высокой плотности вторичных зон вытяжки на поверхности разрушения и большой неоднородности области докритического роста трещины начальный участок Д- кривой должен быть существенно нелинейным.

Ввиду сложности определения момента страгивания трещины в рекомендациях Американского общества испытаний и материа­ лов (АОИМ) [197 ] принято определять величину K jc при прираще­ нии длины трещины на 2% . Аналогично предлагалось [479] зна­ чение / 1с определять при приращении длины трещины

Приведенные результаты показывают, что определяемая по мето­ дике, предложенной в работе [369], величина / 1с, по-видимому, также соответствует приросту длины трещины, превышающему значение прироста, связанного с пластическим затуплением вер­ шины трещины. Поэтому значение /-интеграла, соответствующее моменту страгивания трещины, может быть существенно меньшим по сравнению с полученным по методике, предложенной в работе [369].

цель описываемых исследований — выяснение характера влияния температуры и скорости приложения нагрузки на параметры зоны вытяжки в тонколистовых образцах (толщина 2,5, ширина 35 мм) с центральной сквозной трещиной, подверженных растяжению перпендикулярно к плоскости трещины. Отличительной особен­

каждой температуры производились измерения не менее четырех профилей зоны вытяжки. Зона рассеяния данных и среднее зна­ чение отмечены соответственно вертикальной линией и точкой. Как видно из рисунка, несмотря на значительное рассеяние ре­ зультатов, в целом прослеживается четкая закономерность, на­ поминающая характер температурной зависимости высоты зоны вытяжки для стали 15Х2НМФА. Для температур ниже 123 К оказалось затруднительным надежное определение ширины зоны вытяжки, в то время как высоту ее по-прежнему можно было из­ мерить (за исключением температуры жидкого азота, при ко­ торой высота зоны вытяжки становилась сопоставимой с высотой неровностей на поверхности усталостной трещины и поэтому точно не могла быть измерена).

Отличительной особенностью изучаемого материала являлось наличие на диаграммах разрушения подобия зуба текучести, т. е. резкого срыва нагрузки в конце линейно-упругого участка. Этот

Наконец, по полученным результатам представилось возмож­ ным проверить корреляционную связь между высотой и шириной зоны вытяжки. На рис. 48 приведены прямые, соответствующие зависимости (2.43) и соотношению

Из рисунка следует, что о увеличением критической пластической зоны и переходе от разрушения при плоской деформации к разру­ шению, при плоском напряженном состоянии конфигурация зоны вытяжки изменяется за счет все большего вытягивания вершины трещины в сторону ее распространения.

Таким образом, приведенные выше результаты измерения зоны вытяжки дают новую информацию о критическом состоянии ма­ териала в вершине трещины. В силу своей специфики метод стереофрактографического изучения зоны вытяжки к настоящему времени является одним из немногих, позволяющих получить точные данные о состоянии вершины трещины в момент ее страгивання. Остальные методы, такие, как расчет раскрытия по сме­ щению берегов трещины с использованием представлений о центре вращения, метод электропотенциала, акустической эмиссии и др., пока не представляют таких возможностей, поскольку либо дают интегральную информацию о процессах как пластического тече­ ния, так и разрушения в вершине трещины, либо не обладают достаточным разрешением. Однако каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, поэтому наибольший эффект при ис­ следовании раскрытия трещины можно получить при их комби­ нировании.

В настоящей монографии не ставилась цель дать полный об­ зор исследований по измерению раскрытия трещины, но представ­ ляется уместным сослаться на некоторые работы, выполненные

сиспользованием других методов измерения раскрытия трещины

ипоказывающие перспективность этого критерия с точки зрения его способности описать трещиностойкость материала и физиче­ ские процессы, сопровождающие разрушение. Так, авторы работы [352], определяя раскрытие глубоких надрезов на плоских образ­ цах, отметили линейную связь между Ьа и обратной температурой испытаний, что указывает на термически активируемый характер разрушения. Другие авторы [339], изучая разрушение плит из мягкой стали с двойным надрезом при растяжении, изгибе и удар­

и температурой. В отличие от работы [352] здесь использовался метод прямого измерения критического раскрытия трещины под микроскопом на неразрушенной паре надрезов. Наклон графиков бс — i/T оказался зависимым от условий испытаний (нагружаю­ щая система, скорость приложения нагрузки и т. д.), однако для всех трех видов испытаний наблюдалась достаточно хорошая ли­

нейная связь в указанных координатах, котя в некоторых случа­ ях раскрытие достигало 3 мм, что свидетельствует о больших плас­ тических зонах (при этом наблюдалось вязкое разрушение сдви­ гом).

В работе [340] приведены результаты экспериментального изу­ чения влияния различных факторов на величину критического раскрытия трещины образцов разных размеров и конфигураций, изготовленных из шести различных малоуглеродистых (0,1 — 0,2% С) сталей. Изучались возможность предсказания разрушений крупных образцов по результатам испытаний малых образцов, влияние глубины надреза на величину 6С, вида испытаний (растя­ жение, изгиб), скорости приложения нагрузки, толщины листо­ вого материала, радиуса надреза. Эксперименты проведены в об­ ласти температур 77—293 К. Авторы пришли к заключению, что критерий ôc дает возможность предсказать разрушение крупных образцов по результатам испытаний малых. Величина критиче­ ского раскрытия трещины не зависит от глубины надреза, что так­ же свидетельствует о ее приемлемости в качестве критерия разру­ шения, однако существенно зависит от скорости приложения на­ грузки. Зависимость бс от толщины образца (от 5 до 20 мм) отра­ жает влияние стесненности деформации на величину пластической зоны. Радиус вершины надреза влияет на 6С только до определен­ ной величины р = 0,1 мм. Радиусы надреза 0,1 и 0,05 мм и уста­ лостная трещина для всех изученных температур показали одинаковые значения ôc. Полученные обширные результаты позво­ лили авторам сделать заключение о приемлемости критерия крити­ ческого раскрытия трещин для описания разрушений не только с малыми, но и с довольно большими пластическими зонами в вер­ шине.

Некоторые дополнительные данные о других методах исследо­ вания раскрытия трещины имеются в монографиях [159, 168]. Следует также отметить работу [364], в которой описаны резуль­ таты численного определения раскрытия трещины на основе ана­ лиза полей напряжений и деформаций в ее вершине в образцах, испытываемых на внецентренное растяжение и сосредоточенный изгиб. Несмотря на пренебрежение большими геометрическими изменениями вершины, показана принципиальная возможность установления корреляции между раскрытием трещины и расхож­ дением ее свободных берегов на некотором удалении от вершины, где производится измерение смещения. Однако связь этих величин не является линейной и зависит от напряженного состояния в вершине трещины (два крайних случая — плоская деформация и плоское напряженное состояние). Кроме того, определение рас­ крытия трещины по результатам расчета профиля свободных ее берегов весьма затруднительно.