книги из ГПНТБ / Махутов Н.А. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению

трещины Ьк при температурах от —120 до —306 С практически совпадают.

Электромеханические датчики раскрытия тре­ щин тарируют, как правило, с применением оптиче­ ских средств (оптических микроскопов, катетомет­ ров).

Для определения раскрытия трещины использу­ ют [83] и более сложное приспособление, состоя­ щее из жесткой пластинки, поворачиваемой упру­ гим элементом через гибкую тягу по мере увеличе­ ния расстояния между краями трещины. На упру­ гих элементах наклеивают датчики сопротивления, электрический сигнал которых пропорционален уг­ лу пластинки, т. е. раскрытию трещины. Однако в этом случае возникают погрешности измерений, свя­ занные с недостаточной жесткостью основных эле­ ментов, отклонениями от параллельности краев на­ чальной трещины и трудностью фиксации повора­ чиваемой пластинки иа заданном расстоянии от вершины трещины.

В последнее время [80] при экспериментальном измерении раскрытия трещины датчики сопротив­ ления наклеивают иа боковую поверхность образца над надрезом (или трещиной). Возможность при­ менения датчиков больших деформаций (до 20%) н их предварительная температурная тарировка де­ лает этот способ измерений весьма перспективным, особенно при динамических испытаниях, при кото­ рых важное значение имеют инерционные усилия, действующие на измерительные приборы, закре­ пляемые на образцах.

Механическое измерение раскрытия трещины осуществляется [94] с помощью индикаторов часо­ вого типа, снабженных коническими наконечника­ ми. Эти наконечники вводят в специальное отвер­ стие, просверленное у вершины трещины. По раз-

120

1'ности высот опускания наконечника до нагружения |'и в процессе нагружения можно определить рас­ крытие трещины.

Оптическое измерение перемещений в вершине трещин является наиболее точным, но и наиболее трудоемким. Электростатические способы измере­ ния раскрытия трещины отличаются чувствительно­ стью и точностью при небольших величинах пере­ мещений (до 0,1 мм). Однако изменение электри­ ческой емкости пластинок, вводимых в надрез, су­ щественно нелинейно по мере увеличения расстоя­ ния и угла между ними.

Предельное значение раскрытия трещины в ря­ де случаев определяют на основе измерения геомет­

вершине надреза (или трещины). Зависимость меж­ ду уменьшением толщины образцов в вершине тре­ щины и ее раскрытием рассмотрена в § 1 гл. 1.

Из предположения о равенстве нулю перемеще­ ний в направлении трещины и условий постоянства объема в пластически деформированной области следует, что деформации еу и ег равны, и, следо­

во [2.39], как показывают результаты эксперимен­ тов [83], выполняются при / С к > 1 . Это относится ,в особенности к разрушениям, происходящим с не-

'большими пластическими деформациями, когда ве­ личина критического раскрытия трещин на образ­ цах толщиной 10 мм не превышает 0,5 мм. Коэф-

121 V

фпциент Д'к примерно равен 1,6—1,7. При боль­ шем критическом раскрытии трещины значение Кн уменьшается, приближаясь к 1. Следует отметить, что оценка Ьк по уменьшению толщины образцов в вершине трещин АН связана с большими погреш­ ностями, зависящими от неравномерности распре­ деления деформаций ez по толщине Н и объемности напряженного состояния в вершине трещины.

где Кв —коэффициент, зависящий от ослабления трещиной сечения и от смещения нейт­ ральной оси к вершине трещины в момент разрушения.

По данным экспериментов [83], величина Кц изменяется в пределах от 0,5 до 0,25 по мере уве­ личения относительной глубины трещины IJB и пе­ рераспределения деформаций в вершине трещины в упруго-пластической области.

Существенное развитие получают методы опре­ деления критического раскрытия, основанные на ис­ пользовании двойных надрезов (или трещин) оди­

ниях на изгиб или растяжение. На плоских образ­ цах перед испытаниями наносят два одинаковых" надреза (или трещины) в двух сечениях, отстоящих друг от друга на определенных расстояниях. При пагружешш образца (при комнатной или понижен-

.122

I мой температуре) условия деформирования в вер­ шинах двух одинаковых надрезов остаются одина­ ковыми .до момента начала нестабильного развития трещины от одного из них. После разрушения об­ разца по сечению, содержащему этот надрез, изме­ ряют критическое раскрытие трещины в перазрушившейся части образца с оставшимся надрезом. Расстояние между надрезами должно превышать лглубину надреза не менее чем в 1,5—2 раза, чтобы исключить взаимное влияние надрезов.

По результатам испытаний с непрерывным из­ мерением перемещений в вершине трещин описан­ ными выше методами или с регистрацией предель­ ного раскрытия 6К в вершине трещины может быть охарактеризована температурная зависимость кри­ тического раскрытия трещин (83). Увеличение тол­ щины образцов, скорости деформирования и остро­ ты надреза приводит к уменьшению критического раскрытия трещины при данной температуре , (рис. 29). При статическом испытании образцов се­ чением 10X10 мм (кривые 1 и 2) с увеличением концентрации напряжений, совязанным с перехо­ дом от надреза шириной 0,15 мм к усталостной тре­

Х57 мм при статическом изгибе образцов с меха­ ническим надрезом шириной 0,15 мм (кривая 3) связано с повышением переходных температур на

123

80й С. Однако переход от Надреза к трещине ска­ зывается па критических температурах в меньшей степени в образцах сечением 57x57 мм (кривая 4), чем в небольших лабораторных образцах. В соот­ ветствии с этими данными, используя в расчетах

Рис. 29. Зависимость критического раскрытия трещин от температуры для малоуглеродистой стали

прочности элементов конструкций эксперименталь­ ные данные о критическом раскрытии трещин, сле­ дует предусматривать испытания образцов натур­ ных толщин с предварительно созданными дефек­ тами при соответствующих скоростях нагружения.

Результаты измерения критического раскрытия трещин в процессе нагружения при номинальных напряжениях в нетто-сечении, не превышающих предела текучести, используют при оценке критиче­ ских значений коэффициентов интенсивности на­ пряжений [54, 81, 83, 96]. При указанных уровнях

124

Номинальных разрушающих напряжении сплопыё (Ajc, k) и энергетические (Gic , ук ) критерии хруп­ кого разрушения связаны с критическим раскры­ тием трещины б к соотношением (1.135). В общем случае (в зависимости от материала, температуры

-Рис. 30. Зависимость перемещений в вершине трещины от действующих усилий

испытаний, скорости деформирования, размеров де­ фектов) могут быть получены зависимости между

125

щееся ростом перемещений со снижением нагрузки (рис. 30, б), то величина максимальной нагрузки

щего модуля. При такой зависимости v от Р крити­

напряжений можно определять без прямого изме­ рения докритического роста трещины.

Перемещения в зонах трещин, определяющие величину ее критического раскрытия, как следует из данных § 1, гл. 1, являются интегральными ха­ рактеристиками соответствующих деформаций. В

шине трещины достигают больших значений, до статочных для начала разрушения. Предельные но» минальные разрушающие напряжения в соответст­ вии с деформационными критериями разрушения

126

вычисляют по формулам (1.147), (1.161), (1.152) и (1.153).

Разрушающие местные упруго-пластические де­ формации ек в вершине трещин устанавливают по данным экспериментов на плоских образцах с ост­ рыми надрезами или трещинами. Измерение этих деформаций сопряжено с методическими трудностя­ ми. Ввиду высокой неоднородности поля упруголластических деформаций в вершине трещины, оп­ ределяемой выражениями (1.82), (1.94), база из­ мерения деформаций должна быть минимальной. В то же время средства экспериментального изуче­ ния деформаций должны позволять измерять де­ формации в широком диапазоне (от 0,001 до 0,5— 0,8). К числу таких средств можно отнести: малобазные (с базой 0,4—1 мм) датчики сопротивления [80] с предельной величиной измеряемой дефор­ мации до 0,1—0,2; поверхностно активные наклейки малых толщин (0,2—0,5 мм) с диапазоном измере­ ния деформаций с 0,002 до 0,4—0,5 [92]; рентгенов­ ская аппаратура, позволяющая измерять деформа­ ции, достигающие 0,1—0,2 не только у поверхно­ сти образца но в серединных слоях [16].

Наибольшее распространение при анализе уп­ руго-пластического деформированного состояния в вершине трещин получили метод прецизионных се­

мации на поверхности образца; в последнем—пе­ ремещения w в направлении оси г.

При статическом растяжении тонких пластин с трещинами из материалов, имеющих небольшое упрочнение в упруго-пластической области, как сле­ дует из решения Дагдейла [60] и результатов ана­ лиза деформированного состояния в вершине тре­ щин численными методами (см. рис. 9), развитие

\%1

местных упруго-пластических деформаций происхо­ дит в узкой зоне на продолжении трещины. Такое распределение местных деформаций подтверждает­ ся. результатами измерений деформаций et интер­ ференционным методом [86].

б

Рис. 31. Кривые равных деформаций в зонах трещин при статическом растяжении

128

чао, когда толщина пластины соизмерима с длиной трещины, наиболее интенсивное развитие упругопластических деформаций происходит не в направ­ лении трещины, а под некоторым углом к нему, уменьшающимся по мере увеличения номинальных

шала толщину пластины только в 1,33 раза. Мест­ ные упруго-пластические деформации измеряли ме­ тодом сеток с шагом 0,1 мм. Такая форма зон пла­ стических деформаций связана со степенью их стес­ нения, зависящей от объемности напряженного состояния.

Как показывают результаты измерений упругопластических деформаций методом сеток, оптически чувствительных покрытий и муара, в пластинах, толщина которых не менее 0,5 длины трещины, гра­ диент упруго-пластических деформаций в направ­ лении оси х увеличивается с ростом деформаций. При номинальных напряжениях, приближающихся к пределу текучести, показатель степени а в урав­ нении (1.81) оказывается равным —0,6—0,7 и ме­ нее (до —0,5).

Измеренные в экспериментах предельные мест­ ные упруго-пластические деформации при данной температуре мало зависят от длины начальной тре­ щины. Для пластин малых относительных толщин (#//<0,05) они оказываются равными деформа­ циям в шейке при растяжении гладкого образца [38, 69, 86]. Увеличение толщины #// до 1—5 при­ водит к двух-трехкратному монотонному снижению предельных упруго-пластических деформаций [38].

Таким образом, определяемые на лабораторных образцах критические значения у к , Gjc, Kic, бЛ . и