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

тие трещины 6, размер гт зоны пластической деформации, максимальная местная пластическая деформация е т а х в вершине трещины, приращение длины трещины А/ до возникновения нестабиль­ ного состояния. Если длина трещины значительно

Рис. 34. Характеристики деформирования и разру­ шения при статическом растяжении пластины с трещиной

ние величин б, AL, rT, emas, АН с увеличением Р оказывается близким к линейному.

Происходящие при таких нагрузках разрушения можно рассматривать как хрупкие; при этом пла­ стические деформации возникают в ограниченных зонах впереди трещины—толщина пластически деформированного слоя 5 составляет 0,4—0,5 мм

141

(см. § гл. 2). Такие разрушения описываются с ис­ пользованием линейной механики разрушения (ЛМР). В области линейной механики разрушения, когда ак =£0,44-0,6 ог, наибольшее распространение для оценки несущей способности элементов конст­ рукций получили силовые (коэффициент интенсив­ ности напряжений К\с, модуль сцепления /?•), энер­ гетические (удельная энергия разрушения ук, энергия распространения трещины Gic ) и деформа­ ционные (деформация етЯх, раскрытие трещины 6) критерии (см. § 2 гл. 1). Методы эксперименталь­ ного определения характеристик разрушения описаны в гл. 2.

С увеличением номинальных напряжений до

номинальных напряжений в рамках линейной меха­ ники разрушения в расчет вводят условную длину

щихся к пределу текучести, раскрытие трещины определяют на основе решения (1.74) упруго-пла­ стической задачи для тела с клиновидной пласти­ ческой зоной впереди трещины. Условную длину трещины с учетом пластической деформации прини­ мают равной сумме длин начальной трещины и

зоны дают одинаковые значения разрушающих на-

.пряжений (с точностью до 3%).

142

Приращение длины трещины А1 для иизкбуглёродистых сталей до момента образования неста­ бильных хрупких трещин (см. рис. 18) оказывается незначительным (Д/<С/), а величины коэффициен­ тов интенсивности напряжений Ки при их рас­ пространении в соответствии с формулой (1.125) оказываются существенно ниже, чем при возникно­ вении К 1а.

При нагрузках, превышающих нагрузки Р у , Р т , соответствующие пределам упругости и текучести, во всем наиболее нагруженном сечении пластины возникают пластические деформации и размер пла­ стической зоны г т —>-оо на основе выражения (1.71). Сопротивление деформациям ( A L , г|з, е т а х , АН) и перемещениям (б) существенно уменьшается в зависимости от коэффициентов упрочнения m или GT (см. § 1 гл. 1). В связи с этим для низкоугле­ родистых сталей, обладающих низким упрочнением в упруго-пластической области (при

коэффициенты интенсивности напряжений Kic, энер­ гия распространения трещины G j c и раскрытие тре­ щины б к немогут определяться по соотношениям (2.16), (2.14) и (1.134), а 5К по формуле (1.74) возрастает до бесконечно больших значений. При

В этом диапазоне разрушающих нагрузок исполь­ зуют деформационные критерии разрушения ек, \р, АН, а также приращение длины трещины Д/ до возникновения ее нестабильного состояния. Для

143

честве характеристики квазихрупкого разрушения может быть использовано экспериментально опре­ деляемое раскрытие трещины 6к (см. рис. 29).

Предельные нагрузки при квазихрупких разру­ шениях не рассчитывают в связи с отсутствием решений упруго-пластических задач для тел с тре­ щинами при нагрузках, превышающих Рт- Вели­ чины Рк, ек, АН, бА ., яр определяют эксперимен­ тально. Для измерения АН и ф обычно используют оптические и механические устройства; ек — методы делительных сеток, реплик, муара и интерферен­ ционных полос; 6К—механические, оптические и электромеханические устройства, а также метод муара (см. § 3 гл. 2).

При деформировании пластины за точкой Р в в минимальном сечении возникают большие пласти­ ческие деформации АН, а|)), измеряемые десятками процентов. Приращение длины трещины

распространения упругих волн. На этих условиях происходят вязкие разрушения, а поверхность из­ лома пластин из низкоуглеродистых сталей оказы­ вается волокнистой. Критерием возникновения и

родистых и низколегированных сталей в зависи­ мости от условий нагружения могут быть хрупкими, квазихрупкими и вязкими. Образование разруше­ ния того или иного вида существенно зависит от температуры. Переход вязких разрушений в квази­

144

вторыми t i c p . Первые критические температуры характеризуют начало снижения местных пласти­

! температурах ниже второй критической определяют на основе критериев линейной механики разруше­ ния Gie , Kic, б к. е,с- Переход от квазихрупких раз­ рушений к хрупким (указано стрелкой в верхней части на рис. 34) происходит при уменьшении тем­ ператур /, характеристик упрочнения т и GT в уп­ руго-пластической области или отношения предела прочности о„ к пределу текучести о г , при увеличе­ нии скорости деформирования с, абсолютного значения предела текучести оцо, абсолютных раз­ меров (Я) и длины трещины /.

Критические температуры устанавливают по различным стадиям образования и развития хруп­ кого разрушения. Наиболее жестким условием определения критических температур является ус­ ловие остановки хрупкой трещины при данном уровне статической напряженности. Если крити­ ческая температура устанавливается по стадии развития хрупкого разрушения, то наиболее жест­

танавливают на основе температурных зависимо­

На рис. 35 приведены результаты статических ис­ пытаний плоских образцов сечением 20x50 мм с острыми надрезами грубппой 7,5 мм. Первая кри­

сталлическим и равна температуре испытаний, при которой доля вязкой составляющей в изломе ока­

макропластические деформации возникают по все­ му разрушаемому сечению и разрушающие напря­

началу снижения пластических деформации в зоне разрушения при статическом растяжении и изгибе призматических образцов из стали 22К.

При дальнейшем понижении температур испы­ тания кристаллические изломы сопровождаются уменьшающимися макропластическими деформа­ циями (хр). При температуре испытания, равной 1 К Р _ , макропластические деформации отсутствуют

и разрушающие напряжения а,,, становятся равны­ ми аТ и при дальнейшем снижении t резко умень­ шаются. Толщина пластически деформированного . слоя в зоне вязких разрушений сопоставима при относительной толщине # / / > I с длиной трещины. Если температура ниже второй критической у низ-

146

коутлеродистых и низколегированных сталей, то толщина пластически деформированного слоя рез­ ко уменьшается до 0,4—0,5 мм.

вида разрушения, отличающихся скоростями раз­ рушения, пластическими деформациями, уровнями разрушающих напряжений и видом излома. При

жения превышают предел текучести, скорость раз­ вития вязких трещин обычно не превышает 0,05 от скорости распространения упругих воли. В ди­ апазоне между первой и второй критической тем­

ской поверхностью излома, убывающими с пони­ жением t пластическими деформациями и повы­ шенными по сравнению с пределом текучести раз­ рушающими напряжениями.

При температурах ниже второй критической про­ исходят хрупкие разрушения пли номинальные на­ пряжения ниже предела текучести, т. е. при упру­

кристаллический по внешнему вину излом, проте­ кают в небольших объемах (соизмеримых с раз­ мерами зерен) в вершине трещины. Для хрупких состояний (t<tк„) по основным соотношениям

механики разрушения может быть построена тем­ пературная зависимость коэффициента интенсив­ ности напряжений Kic с учетом изменения по тем­ пературе предела текучести гладкого образца ат =

148

— rj0)2 й отношения номинальных разрушающих на­

Таким образом, вторым критическим темпера­ турам соответствует падение номинальных разру­ шающих напряжений ниже предела текучести и резкое снижение сопротивления разрушению (Kic)- Для квазихрупких состояний (tКРп <t<tKpJ вы­ числение Kic для малоуглеродистых и низколегиро­ ванных сталей значительно усложняется в силу образования развитых зон пластических деформа­ ций.

Сказанное указывает на важность определения первых и вторых критических температур деталей машин и элементов конструкций. Для данного типа деталей и характера нагружения первые и вторые критические температуры могут быть определены при натурных испытаниях. Однако натурные испы­ тания в целом ряде случаев трудно осуществимы. Большое значение имеет возможность установления критических температур для элементов конструк­ ций по результатамиспытаний лабораторныхоб­ разцов.

Значение iKPi и tKPn для лабораторных образ­ цов устанавливают с учетом условий нагружения в эксплуатации. Для статически нагружаемых кон­ струкций (строительные, мостовые, резервуарные конструкции, трубопроводы, опоры, линии электро­