Характеристики сопротивляемости металла разрушению в присутствии концентраторов

Традиционным приемом оценки механических свойств металла является нагружение образца или детали до разрушения с регист­рацией в процессе испытания и (или) после него каких-либо харак­теристик напряженно-деформированного состояния. При обработке результатов определяют точки, соответствующие переходу от одного состояния к другому. Например, напряжение в момент начала те­кучести называют пределом текучести материала σ_т, значение коэф­фициента К в момент начала движения трещины называют крити­ческим коэффициентом интенсивности напряжения материала Кс. Наследует смешивать между собой характеристики напряженно-де­формированного состояния (например, σ— напряжение) и механи­ческие характеристики металла (σ_т—предел текучести металла), часто обозначаемые одинаковыми буквами с введением различных Шексов.

Механические характеристики могут быть классифицированы по различным признакам. В частности, можно выделить характеристики, оценивающие сопротивляемость металла появлению тре­щины в концентраторе, началу движения имеющейся трещины, рас­пространению трещины.

трещины в концентраторе. Наиболее распростра­ненной характеристикой оценки прочности металла, сварного со­единения или детали в присутствии концентратора является сред­нее разрушающее напряжение σ_срр, определяе­мое в случае растяжения и среза отношением разрушающей и силы Р_р к площади ослабленного сечения или отношением разрушающего момента М_р к моменту сопротивления W при изгибе. Однако оценка свойств только по среднему напряжению часто не обнаруживает отрицательного влияния концентратора, пока он не превысит некоторого значения. Например, испытание стыкового (рис. 3.34, а) или углового (рис. 3.34, б) шва с непроваром до раз­рушения может давать высокие значения Р_р и σ_Ср.р при небольших раз­мерах непровара и до­статочной пластичности металла. При увеличе­нии размера непровара или ухудшении свойств металла среднее разру­шающее напряжение σср_ф будет уменьшаться. Це­лесообразно наряду с определением Р_р регист­рировать пластичность металла или соединения Δ_р, например, путем записи в процессе испы­тания перемещения Δ, т. е. изменения расстоя­ния между точками A

и В. На рис. 3.34, в показана диаграмма Р ( Δ ). Кривая 1 указы­вает на большую пластичность соединения, а кривая 2 свидетель­ствует о малой пластичности. При увеличении толщины металла или непровара при малой пластичности средние разрушающие напряжения могут заметно падать, принимая значения, отмеченные крестиками. Для исключения влияния упругости участка AВ можно из полного перемещения Δ_р вычесть упругую его составля­ющую Δупрр и получить пластическую составляющую Δ_{пл р} =Δ _р— Δ _упр.р (рис. 3.34,6).

Значение Δ_плр характеризует среднюю разрушаю­щую пластическую деформацию ε_ср._р в ослаблен­ном концентратором сечении:

ε_ср._р =Δпл.р/lусл.

где l_усл — некоторая условная длина (рис. 3.34, а), на которой распределены деформации ε, образующие перемещение Δ_пл,_р. В ряде случаев Δ_ПЛф»Δ_упр.р и можно пользоваться для оценок величиной Δ_р.

Оценка свойств сварных соединений по среднему разрушающему напряжению σ_срр используется очень широко. Значительно реже применяют оценку по пластичности ε_срр, например при испытаниях на изгиб стыковых и нахлесточных сварных соединений (рис. 3.35). Образец нахлесточного или стыкового соединения (рис. 3.35, а, б), имеющий ослабление для сосредоточения деформаций вблизи линии сплавления, устанавливается в приспособление (рис. 3.35, д) для консольного изгиба образца и нагружается до появления трещины по линии сплавления. Этот момент может быть зареги­стрирован визуально. Испытание прекращается, измеряется угол

Рис. 3.35. Определение е_ср_ _р при ис­пытании сварных соединений на изгиб:

а — образец нахлесточного соединения; б — образец стыкового соединения с пол­ным проваром; в — образец стыкового сое­динения с непроваром; г — образец после испытаний; д — приспособление для испы­таний

ө_р изогнутого образца (рис. 3.35, г), по значению которого мож­но приближенно определить среднюю разрушающую деформацию ε,_{р р} на поверхности образцов:

εecp.p = ө _Ps/(2l), (3.39)

где ө_р—угол поворота, рад; s — толщина металла; I —ширина ослабления для образцов с полным проваром. Рекомендуется принимать I = s, тогда

ε_ср.р = өр/2 (3-40)

Если разрушение образца произошло внезапно, то по зареги­стрированному перемещению f_р в момент разрушения прибли­женно вычисляется ө_р = f_p/L, где L — расстояние от плоскости концентратора до точки контакта штока с образцом.

Схема испытания на рис. 3.35, д может быть использована для определения свойств металла стыкового шва в присутствии кон­центратора типа непровара (рис. 3.35, в). При непроваре более 30—35 % от толщины металла ослабление / можно не создавать. В образцах с непроваром из низкоуглеродистых и низколегиро­ванных сталей, как показывают экспериментальные исследования, величина е_срр может быть приближенно вычислена по

ε_ср._р≈0,8ө _р.(3.41)

Показатель пластичности ε_срр характеризует не только пла­стические свойства металла, но также и влияние радиуса концентратора, угла ее перехода от шва к основному металлу в образ­цах (рис. 3.35, а, б), толщины металла s или шва S1. Таким обра­зом, ε_срр отражает совместное влияние различных параметров сварного соединения, в том числе и механической неоднород­ности, вызванной термическим и деформационным циклами сварки. Для образца с непроваром может быть вычислен критический

Рис. 3.36. Схема испытаний двух скреп­ленных между собой образцов

коэффициент интенсивности деформаций V_p по формуле (3.37). Коэффициент V_p отра­жает только свойства метал­ла и геометрические особен­ности зоны конца непровара (радиуса непровара). Значе­ния V_p могут использоваться как характеристики сопро­тивляемости зоны концентра­ции сварных соединений раз-

рушению, отражающие влияние термического цикла сварки и радиусов перехода к основному металлу, и применяться для вы­бора технологии, режимов сварки и термической обработки.

При ударных испытаниях момент образования трещины заре­гистрировать трудно. В этом случае может быть применена схема испытания нагружением силой Р двух образцов, соединенных жестко между собой (рис. 3.36), при которой пуансон имеет пло­скую площадку и тем самым обеспечивает равные деформации обоих образцов вплоть до разрушения одного из них. По изгибу неразрушившегося образца определяют ε_ср.

Кроме рассмотренных выше силовых и деформационных харак­теристик сопротивляемости металла зарождению трещины в кон­центраторе используют также энергетические характеристики: работу зарождения трещины A₃ (Дж) и энер­гию зарождения трещины G₃ (Дж/м²). Работу за­рождения трещины A₃ можно определять на образцах разнообраз­ной формы и размеров, но эта характеристика сильно зависит от вида образца и может использоваться только для сравнитель­ных испытаний различных металлов, зон сварных соединений при неизменном типе и размерах образца. Для этой цели часто исполь­зуют призматические образцы сечением 10 X 10 мм и длиной 55 мм с односторонним надрезом глубиной 2 мм, которые испытывают на изгиб, нагружая образец силой Р и измеряя прогиб f. Схема испытаний и диаграмма представлены на рис. 3.37. Площадь ОАВ пропорциональна работе изгиба образца до появления трещины; площадь ABC пропорциональна упругой энергии, накопленной в образце к началу его разрушения; площадь BAD характеризует работу А_р, затрачиваемую на распространение трещины по телу образца. Существует ряд методов для определения ФA₃ и А_р [23).

Энергия зарождения трещины G₃ от концентратора тесно свя­зана с величинами G_c и Gj_c, определение которых рассматрива­ется¹ ниже применительно к стадии начала движения трещины. ОтЯЙчие их состоит в том, что G_c и G_fc относятся к стадии начала движения разрушения от имеющейся трещины, a G₃ — к моменту появления трещины от какого-либо концентратора.

Начало движения имеющейся трещины. При растяжении беско­нечной пластины с трещиной длиной I трещина начинает распро­страняться после того, как напряжение а достигло определенного (критического) уровня, при котором соблюдается равенство при­ращений работы, поглощаемой на разрушение металла, и энергии упругих деформаций пластины, освобождающейся при подрастании

Рис. 3.37. Определение работы зарождения Л, и работы распространения А_р трещины лри изгибе надрезанного образца

трещины. Впервые ука­занное энергетическое условие для идеализи­рованной схемы разру­шения рассмотрел Гриф­фитс. Тело предполага­ется идеально хрупким, т. е. энергия расходует­ся только на образова­ние новой поверхности (поверхностного натяже­ния). Если в сплошной

растянутой пластине толщиной, равной 1, образовать трещину длиной l, то потенциальная энергия в пластине уменьшится на

U = π/²σ²/(4Е). (3.42)

Появление новых поверхностей сопровождается затратами энер­гии

U_nm = -Gl, (3.43)

где G —энергия поверхностного натяжения. Суммарное изменение энергии составит

U_z= π l² σ ²/(4E)-Gl. (3.44)

Если энергии будет освобождаться больше, чем поглощаться, трещина начнет самопроизвольно двигаться без увеличения напря­жения. Это соответствует моменту равенства приращений энергии, т. е.

∂UΣ

∂l = 0. (3.45)

Дифференцируя (3.44), получаем

π/σ²/(2E)-G = 0.(3.46)

Отсюда получим формулы для критического напряжения и кри тической длины трещины:

σ_кр=√2GE/(πl);(3.47)

l_кр = 2GE/(πσ²). (3.48)

Из (3.46) также получим критическое значение энергии

G_c = π / σ ²/(2E). (3.49);

Подобные выкладки справедливы и в том случае, если считать что энергия расходуется не только на создание поверхностного натяжения, но и на пластическую деформацию металла у конщн трещины. Это формально не изменяет ход рассуждения. Такии-образом, при испытании образца в виде пластины с трещино? достаточно зарегистрировать значение напряжения в момент на­чала движения трещины, чтобы вычислить затем по формуле (3.49] характеристику металла G_c. Для оценки свойств металла исполь­зуют также критический коэффициент интенсивности напряже­ний К_с — силовую характеристику, связанную с полем напря­жений у конца трещины:

Kc=√GcE (3.50)

С учетом (3.49) получим

K_c = σ√πl /2 (3.51)

Не следует смешивать начало движения трещины, связанное с разрушениями частиц металла по мере роста нагрузки и зоны пластических деформаций у конца трещины, с началом движения трещины по энергетическому условию, когда напряжения в образце достигают максимально возможного для конкретного образца значения.

Зависимость (3.50), если выполняются условия плоской дефор­мации, записывается следующим образом:

K1c =√G1CE/(1-μ²).(3.52)

При испытании натружением силой Р образцов крупных раз­меров их разрушение наступает внезапно на линейном участке диаграммы (рис. 3.38, а) и определение K1_c и G_1c как раз соот­ветствует моменту максимальных средних напряжений о_с. Пере­мещение v регистрируют напротив надреза с трещиной на базе АВ (рис. 3.38, в, г). Если при определении K_1c и G_1c используют образцы меньших размеров, то либо условия плоской деформации выдер­живаются не полностью, либо область пластических деформаций у конца трещины становится большой и диаграмма перестает быть линейной (рис. 3.38, б). В этих случаях энергетические за­траты на разрушение крупного образца и образца ограниченных размеров до состояния, соответствующего точке С, могут не совпа­дать. Поэтому применяют условную процедуру обработки резуль­татов испытаний, проводя линию ON на 5 % ниже линии упругого участка, и для определения K1c и Gj_c берут напряжение o_Q. Достоверность найденной величины проверяют по дополнитель­ным признакам, изложенным в [20]. Величины К_1c и G_1c носят название критериев Ирвина,

Энергия зарождения трещины от концентратора G₃ определя­ется аналогично G_c, но с использованием в формуле (3.49) вели­чины g вместо / (см. § 9). При хрупком разрушении металла от кон­центратора, как в случае, показанном на рис. 3.38, а, для рас­чета используется критическое напряжение σ_с. Для концентра­торов с параллельными гранями (α= 0) величина G определя­ется, как для образцов с трещинами. Для концентраторов с α > 0 при разрушении металла, как на рис. 3.38, б, определение G₃ про­изводится путем дополнительного решения пластических задач.

• Рис. 3.38. Виды кривых (а, б) «напряжение — смещение» при определении /(_1с и G_]c на образцах путем их изгиба (б) или растяжения (г)

В качестве характеристики сопротивляемости металла началу движения трещины используют также деформационный критерий — критическое раскрытие трещины 6_С. Понятие раскрытия трещины б освещено в § 9. Критическое значение б_с соответствует раскрытию в момент начала движения трещины.

Для определения K_1c (K_c), G_]c (G_c) и δ_с используют разно­образные по форме образцы, которые преимущественно испыты­вают на изгиб или на растяжение продольной нецентрально при­ложенной силой (рис. 3.38, в, г). Общим для всех образцов явля­ется наличие предварительно созданной трещины. Чем выше вяз­кость металла и ниже его предел текучести, тем более крупные образцы требуются для корректного определения указанных выше характеристик.

Критерии механики разрушения применимы для оценки сопро­тивляемости металла разрушению не только при наличии сквозных по толщине листа трещин. В равной мере, а в практическом отно­шении даже чаще, эти понятия применимы также для несквозных трещин, распространяющихся от поверхности (рис. 3.39). Эти трещины при увеличении напряжения (нагрузки) растут преимущественно в направлении толщины, мало увеличиваясь по длине l. Даже при небольших толщинах s на большей части криволиней­ного фронта трещины обеспечиваются условия плоской деформа­ции, что следует рассматривать как неблагоприятное обстоятель­ство, так как небольшие трещины.могут оказаться критическими;. При приближении фронта трещины к противоположной поверх­ности на участке s₁ разном по размеру у различных металлов, возникают условия деформирования металла, близкие к плоскому напряженному состоянию, что проявляется в повышенной пласти­ческой деформации металла перед разрушением. Для вычисле­ния К, в зависимости от уровня напряжений и формы трещины имеются соответствующие формулы (103].

Поберхиости разрушения

Рис. 3.39. Поверхностная Рис. 3.40. Вид поверхностей разрушения
трещина в металле образца из металла толщиной s

Распространение трещин. Для оценки сопротивляемости ме­талла распространению трещин используют разнообразные каче­ственные и количественные характеристики. Среди количественных характеристик более объективными являются энергетические. При движении трещины в листовом металле толщиной s работа затра­чивается в основном на пластическую деформацию металла у по­верхностей разрушения (рис. 3.40), Внутренние участки, нахо­дящиеся в условиях плоской деформации, деформируются меньше, чем участки на поверхности листа, где имеет место плоское на­пряженное состояние и возникают зоны сдвига, поглощающие значительную часть затрачиваемой работы. Чем толще металл, тем менее существенна роль сдвига в полной работе разрушения. В связи-с этим следует различать работу разрушения G_д металла конкретной толщины s и работу разрушения настолько большой толщины, при котором обеспечивается условие плоской деформа­ции С_[д образца. Индекс «д» означает движение трещины. Оче­видно, что С_д > С_1д. Если в конструкции используется метаод конкретной толщины, то нет необходимости определять G_1д.

Имеется много методов определения работы распространения трещины на образцах относительно малых размеров (10 X 10 X 55 мм). Общим недостатком большинства этих методов является игнорирование влияния толщины металла на работу распростра­нения трещины и использование для испытания пластичных (вязких) металлов таких по размерам образцов, внутри которых не мо­жет разместиться зона пластических деформаций, образующаяся у конца трещины в крупном образце. Эти методы должны рас_: сматриваться в основном как средство для сравнительных испыта­ний металлов. Ряд этих методов предусматривает уменьшение до минимума работы зарождения трещины А₃, с тем чтобы вся работа, разрушения, отнесенная к площади разрушения, могла рассматриваться как А_р — удельная работа разрушения при рас­пространении трещины. Например, при испытании по методу Б. А. Дроздовского в призматических образцах сечением 10 X 10 мм создают усталостную трещину глубиной до 3 мм. Широко приме­няются также образцы Шарпи сечением 10 X 10 мм и V-образным надрезом с малым радиусом у дна (см. рис. ЗА, б).

Имеются также методы определения работы распространения трещины с использованием более крупных листовых образцов, с записью параметров процесса или с механическими приемами выделения работы распространения трещины. Основное внимание в этих методах уделяется схеме нагружения образца, по возмож­ности лучше соответствующей реальному процессу и исключающей неучитываемые потери энергии.

В других случаях для определения работы распространения трещины в элементах конструкций применяют метод тепловой.волны, основанный на том, что более 95 % работы, истраченной на рас­пространение трещины, идет на пластическую деформацию и пре­вращается в теплоту. При распространении трещины теплота выделяется практически мгновенно на границе образовавшейся трещины и в дальнейшем распространяется, как от мгновенного плоского источника. На некотором расстоянии от места прохож­дения трещины заранее на поверхности металла или в глубоких тонких отверстиях приваривают электроды в виде проволок диа­метром 0,2 мм, образуя, таким образом, термопары (рис. 3.41, а). Спай 1 должен располагаться на расстоянии х = 3 ÷ 15 мм от трещины, а спай 2 — на достаточном расстоянии, чтобы, когда температура в точке 1 достигнет максимума (рис. 3.41, б), темпера­тура в точке 2 изменилась бы незначительно. Без учета тепло­отдачи, которая в данном случае из-за малой разности температур тела и воздуха ничтожна, G_д можно определить по формуле

С_д = 4,13сpxΔτ_mаx, (3.53)

где ср — объемная теплоемкость.

Для оценки сопротивляемости металла движению трещины ис­пользуют также различные неэнергетические характеристики: волокнистость излома, скорость распространения трещины.

Установлено, что вязкий или хрупкий характер поверхности разрушения металла зависит от объема металла, вовлеченного в пластическую деформацию при движении трещины. Хрупкие участки соответствуют малой пластической деформации подповерхностных слоев, вязкие (волокнистые) изломы, наоборот, свидетельо большой пластической деформации металла, указывавшей на большую работу, израсходованную при разрушении. Между работой, затраченной на распространение трещины, и площадью волокнистых участков излома имеется пропорциональная зависи­мость. Резкое уменьшение волокнистости в изломе при понижении температуры испытания свидетельствует о резком уменьшении работы разрушения. Поэтому степень волокнистости излома исполь­зуется как характеристика для определения критической темпера-

туры, например при 50 % площади с волокнистым изломом (см. гл. 5).

Рис. 3.41. Определение работы распростра­нения трещины путем регистрации Т_так по методу тепловой волны: а — схема расположения электродов в зоне пред­полагаемого движения трещины; 6 — термический цикл в точке /

Различают распростра­нение трещин со скоростя­ми в десятки и сотни мет­ров в секунду и распрост­ранение трещин при пов­торных нагружениях невы­сокими напряжениями, когда трещина продвигает­ся при каждом цикле на-гружения на весьма малое расстояние. Хрупким раз­рушениям соответствуют

высокие скорости распространения трещин — обычно более 500— 600 м/с, полухрупким и вязким — относительно малые—100— 400 м/с и менее.

При циклических нагрузках регистрируют число циклов и путь, пройденный трещиной. Скорость распространения трещины dlldM (мм/цикл) зависит от размаха интенсивности напряжений Д/С в пределах цикла, в меньшей степени от абсолютного уровня К, и частоты нагружений. Значение dl/dN изменяется в весьма широ­ких пределах: от нуля при малых ΔK и K до 10 мм/цикл и более. Для переменной нагрузки Парисом предложена следующая приближенная эмпирическая зависимость:

dlldN = C0 Δ K^a, (3.54)

где С_Р, а — постоянные коэффициенты, определяемые при обработке экспериментальных данных.

Дата добавления: 2015-07-08