книги из ГПНТБ / Дроздовский Б.А. Влияние трещин на механические свойства конструкционных сталей

Влияние дефектов и размеров образца на хрупкое разрушение

Развивая положение Гриффитса о местных дефектах, как. основной причине хрупкого разрушения, Смекал показал, что место начала разрушения хрупких тел определяется не только распределением напряжений от внешних сил, но и расположе­ нием дефектных мест. Это вытекало из анализа результатов испытаний на изгиб многих сотен стеклянных палочек (рис 4)-

Рис. 4. Зависимость числа разрушений п от угла ср, на котором точка начала разрушения с отстоит от точки максимума растягивающих напряжений d (А. Смекал)

Малое количество разрушений в месте наибольших нормальных напряжений указывает на существенную роль дефектов в про­ цессе хрупкого разрушения.

Как было показано [162], прочность при изгибе стекла обрат­ но пропорциональна глубине поверхностных дефектов, нанесен­ ных алмазом. При отсутствии же заданных дефектов прочность

объяснял повышение прочности стеклянных нитей с уменьшением их диаметра, считая, что в нитях большего диаметра дефекты могут иметь больший размер, чем в тонких. Однако, как выте­ кает из недавно проведенных опытов [25], влияние масштабного фактора при растяжении стекла Гриффитсом и последующими авторами, возможно, преувеличено. Оказалось, что прочность стеклянных нитей существенно зависит от температуры нагрева стеклянной массы перед ее протяжкой на нить. Протяжка воло­ кон при постоянной температуре массы показала практически одинаковое разрушающее напряжение для диаметров 0,0508; 0,1016 и 0,1524 мм, т. е. именно того интервала диаметров, в пределах которых происходило наиболее разкое изменение прочности в опытах Гриффитса.

Как было показано этими же опытами, прочность стеклянных волокон сильно зависит от степени повреждения их /поверхности.

т. е. сглаживания поверхностных дефектов, а прочность стеклян-. ных палочек диаметром 6 мм [27] довести до величины 175 кг/мм2— соизмеримой с прочностью тонких стеклянных ни­ тей. Известно также, что горячее глазирование стекла повышает его прочность опять-таки вследствие закрытия поверхностных дефектов,.

Известен опыт Орована [26] с разрывом образцов 'слюды, ши­ рина которых была больше ширины захватов машины так, что край образца был ненапряженным. Прочность слюды при этом возросла с 31 кг/мм2 (при обычном испытании) до 178— 324 кг/мм2.

Взаимодействие фронтов трещин из различных центров разрушения, зависимость прочности от времени и воздействия поверхностно активных сред

Важным выводом из опытов по разрушению хрупких мате­ риалов является возможность возникновения разрушения одно­ временно из нескольких центров. Это явление, известное и при усталостном и при хрупком разрушении, было изучено Ре­ гелем [29, 30] на примере прозрачных пластмасс.

По строению изломов образцов полиметилметакрилата (орга­ ническое стекло, плексиглас), разрушенных растяжением, видно, что разрушение обычно начиналось с поверхности в виде зеркальногладкого участка, имеющего форму дуги окружности. В отдельных случаях зеркальная зона находилась в середине сечения образца. Вокруг зеркальной зоны в беспорядке распо­ лагаются кривые, по виду напоминающие гиперболы или пара­ болы, обращенные выпуклостью к центру зеркальной зоны.

Дальше от зеркальной зоны четкость очертаний этих кривых теряется— излом становится раковистым. На больших расстоя­ ниях от зеркальной зоны гиперболы направлены вершиной уже не к зеркальной зоне, а к фокусу ближайшей наибольшей гипер­ болы.

Поверхности гипербол не совпадают с плоскостью зеркальной зоны, а «аходятся несколько выше или несколько ниже нее. Наиболее четкие гиперболы получались при разрушении поли­ метилметакрилата—относительно пластичной пластмассы. Более хрупкие пластмассы (полистирол и др.) дают значительно менее правильные фигуры в изломе.

Объяснение происхождения гипербол было предложено неза­ висимо друг от друга Регелем, Смекалем и другими. По Регелю первая трещина распространяется плоским круговым фронтом из точки О (рис. 7), помещенной в начале координат. По мере роста первичной трещины уменьшается сечение образца и растет перенапряжение в области других внутренних дефектов образца.

находящихся в сечениях, близких к плоскости распространения первичной трещины. Через некоторое время т напряжения в т о ч ­ ке, имеющей координаты х0 , О, Z0 достигают величины разру­ шающих и из этой точки -начинается разрушение также по кру­ говому фронту.

Рис. 7. Схема образования гиперболических линий в изломе полиметилме­ такрилата (В. Р. Регель)

Границы трещин в какой-то момент т определятся двумя уравнениями, совместное решение которых дает уравнение ги­ перболы, обращенной вершиной к началу координат, т. е. к цент­ ру начальной трещины

При прямолинейном фронте первичной трещины гиперболы превратятся в параболы. При одинаковой опасности первичного и вторичного дефекта т = 0, т. е. трещина возникает одновремен­ но из обоих центров. Тогда линия встречи будет прямая, перпен­ дикулярная оси х. Такие линии наблюдались в изломе поли­ стирола.

Чем больше различие в опасности дефектов, тем больше т и тем меньше угол между ассимптотами.

При т = — линия встречи превращается в радиальную пря-

V

мую. Здесь v —CKOipocTb распространения фронта трещины.

Образование раковистой поверхности в конечной стадии раз­ рушения силикатного стекла, при большой скорости разрушения,

При подобном энергетическом режиме разрушение протекает во многих плоскостях одновременно и поверхность излома стано­ вится значительно более развитой, разветвленной.

Это, очевидно, относится не только к накопленному образцом избытку упругой энергии, но и к избытку энергии, подводимой в единицу времени извне, т. е. к избыточной мощности вообще. Так, известно, что при ударном изломе стекол размер зеркаль­ ной зоны меньше, чем при статическом, а соответствующая зо­ на дробления поверхности излома занимает большую часть. Разрушение хрупких материалов при небольших скоростях (зеркальная зона) можно считать процессом роста данной тре­ щины из одного центра, который протекает практически в одной плоскости. По мере нарастания скорости распространения пер­ вичной трещины образуется избыток кинетической энергии, который ведет к возникновению новых центров разрушения'.

Разрушение начинает охватывать все больший объем и все в большей степени отклоняется от простейшего случая разделе­ ния двух поверхностей. Поэтому законы, управляющие разру­ шением даже в хрупких телах, будут меняться в зависимости от скорости.

Закономерности, построенные в предположении, что разру­ шение распространяется по некоторой единичной поверхности, будут справедливы лишь до того, пока нарастающая скорость разрушения не включит в разрушение большое количество дру­ гих поверхностей и таким образом не превратит поверхностный процесс в объемный. Важным экспериментальным фактом, де­ тально изученным, за последнее десятилетие, является зависи­ мость прочности твердых тел от времени. Зависимость прочности от времени при высоких температурах известна сравнительно давно, так как прочность тем больше зависит от времени, чем выше гомологическая температура 21. При комнатной температуре во многих случаях (например, для пластичных сталей при нап­ ряжениях сг<з4, эффект времени часто пренебрежимо мал.

Ускорение разрушения под действием среды как поверхност­ но активной (инертной химически), так и коррозионно воздейст­ вующей на твердое тело является особым кругом вопросов.

Работами Ребиндера с сотрудниками [38, 171] установлено

сильное влияние иа прочность твердых тел поверхностно актив­ ных сред, адсорбирующихся на поверхности тела. Экспе­ риментально показано сни­ жение при подобном воздей­ ствии пределов текучести, прочности и усталости, при­ чем даже в пределах упру­ гой деформации.

Указанное явление (эф­ фект Ребиндера) объясняет­ ся понижением поверхност­ ной энергии деформируемо­ го тела в связи с расклини­ вающим действием молекул поверхностно активного ве­ щества, внедряющегося в субмикрощели, имеющиеся на поверхности и раскрыва­ ющиеся под действием нор­ мальных напряжений при любой упругой дефорции.

По существу действием поверхностно активной среды сле­ дует объяснять и результаты известных опытов Обреимова [39], который получил в вакууме поверхностное натяжение для слю­ ды в 13 раз большее, чем при испытании расклиниванием в воздухе.

Двойственная природа процесса разрушения — развитие еди­ ничной трещины и зарождение новых центров изучено В. Р. Реге­ лем [29]. Им была проведена киносъемка (с частотой кадров 24 в секунду) развития трещин в полиметилметакрилате под дейст­ вием постоянной длительно приложенной нагрузки. Были уста­ новлены различные закономерности для зарождения новых види­

-(рис. 8 и 9) показывают, что они растут с постепенным замедле­

28 Существующие представления о хрупком разрушении

нием о отличие от сквозных трещин, приводящих к разрушению, по отношению к которым подтвердились и для полиметилмета­ крилата закономерности, отмеченные ранее Смекалом для стекла, т. е. наблюдается постепенное нарастание скорости (ко­ нечную постоянную скорость, соизмеримую со скоростью звука, в работе [29] определить не удалось из-за недостаточной скорости киносъемки).

Д,мм

Рис. 9. Зависимость длины X поверхностных трещин от времен'и х при различных напряжениях (цифры в конце кри­ вых) в образце из полиметилметакрилата (В. Р. Регель)

3.РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИИ

ОПРОЦЕССЕ РАЗРУШЕНИЯ1

Применение теории Гриффитса к другим напряженным состояниям

Поскольку в основу теории Гриффитса .положено соотноше­ ние между затрачиваемой (упругой) и поглощаемой (на образо­ вание новой поверхности) энергией, то для проверки этой теории желательно было бы изучать достаточно медленные процессы разрушения. Иными словами, по существу эта теория статиче­ ская, так как она не учитывает затрат энергии на распростране­ ние волн напряжений. Однако пластичные материалы типа ме­ таллов (так же, как и пластмассы с значительной эластично­ стью), в которых .наблюдается .медленное разрушение, для про­ верки теории не годятся, вследствие того, что в ней не учитыва­ ется работа пластической деформации (см. ниже в данном раз­ деле). С другой стороны, хрупкие неорганические стекла при

1 Здесь нами рассматривается только разрушение при однократном на­ гружении. Имеется большое число работ по усталостному разрушению и ме­ ханизму развития усталостных трещин (С. В. Серенсен, A. Head, Me Cintock Frost др.), которые требуют отдельного изложения.

растяжении и изгибе разрушаются настолько быстро, что гово­ рить о равновесном состоянии трудно, за исключением момента перехода к нестабильной стадии разрушения.

Исходя из этих соображений [40], была проведена проверка теории не при растяжении или изгибе, а при вдавливании ци­ линдрического пуансона (рис. 10) в гладкую поверхность стек­ лянных образцов 50X50X38 мм.

Квадратная поверхность 50 X

X 50 мм, в которую вдавливался индентор, была отполирована па­ рафином, чтобы сделать ее про­ зрачной в процессе опыта. По до­ стижении некоторой нагрузки воз­ никали конические трещины. В опытах имело место соотношение

-7- < 7 ; при больших отношени- 5

ях стекло разрушается.

з

По Гриффитсу трещина при данной нагрузке не должна за­ висеть от продолжительности нагружения, если поверхностное натяжение не зависит от времени. Эта зависимость может, на­ пример, вызываться физико-химическими процессами — взаи­ модействием с окружающей средой и др. Опыты Реслера, однако, показали, что зависимость поверхностного натяжения от време­ ни имеется, хотя и не очень явно выраженная (рис. И ). В этих опытах была принята 15-минутная выдержка под нагрузкой с тем, чтобы можно было измерить диаметр s трещины, который изменялся медленно. Нагрузка, соответствующая первым обна­ руженным трещинам, была примерно вдвое меньше нагрузки при полном разрушении образца. Угол а трещины не зависел от диаметра индентора и составлял 68,5±1°.