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

эти процессы, собственно, и определяют последующее развитие разрушения в микро-, а уже затем в макроскопическом масш­ табе. Если представления о дислокациях и вакансиях можно рассматривать как теорию процессов деформации и разруше­ ния III рода, то почти все существующие экспериментальные методы относятся к разрушению II и I рода. Поэтому примени­ тельно1и начальной стадии разрушения можно смазать, что ло­ кальность экспериментальных методов отстает -от локальности явлений.. Важнейшей задачей является развитие высоколакальных экспериментальных методов. Сюда относится, в частности, элактронномикроокопическая фрактография [67] и др. Вероятно в дальнейшем для этой цели смогут быть развиты и другие ме­ тоды [68] (авторадиография, возможно, нейтронография и т. д.).

Учет степени локальности различных видов разрушения должен уточнить границы и область применимости различных закономерностей, которые (как уже указывалось) могут ока­ зываться совершенно различными при рассмотрении с позиций I, II и III рода разрушения. В заключение укажем, что несоот­ ветствие локальности явления и локальности экспериментальных и теоретических методов приводит к чрезвычайно существенной трудности: подавляющее большинство теоретических и экспе­ риментальных попыток сформулировать условия разрушения выражены в средних напряжениях, деформациях, между тем как закономерности разрушения должны были бы выражаться через локальные (истинные) величины, пока почти не доступ­ ные для изучения. Следовало бы, сформулировав условия раз­ рушения малого элемента, переходить к конечным телам путем интегрирования.

Учет развития разрушения во времени. Если не говорить о еще почти не изученных субмикроокопических стадиях (куда вхо­ дят возникновение и развитие вакансий, дислокаций, а также различные стадии «подготовки», «разрыхления» и возникнове­ ние «зон» предразрушения и т. п.), то для разрушений I 1и II рода можно различать четыре основных периода: инкубационный, замедленный (с отрицательным ускорением), стабильный йли стационарное развитие трещин (не учитывающееся Гриффит­ сом) и нестабильный или саморазвивающийся (с положитель­ ным ускорением), иногда лавинный процесс, оканчивающийся полным разделением тела на части.

В то время, как в первых трех периодах процесс всегда мож­ но остановить, прекратив развитие трещин, <в нестабильном пе­ риоде остановить развитие трещин можно лишь в том случае, когда возможное время разгружения меньше, чем время раз-

4*

в расчеты Гриффитса должны быть внесены существенные из­ менения.

В задачу настоящей работы не входит разбор этих измене­ ний и лишь в 'качестве одного из возможных примеров приве­ дем следующие приближенные выкладки, полученные С. А. Ивановым совместно с одним из авторов.

Обозначим упругую энергию, накопленную в «машине», через

Условие распространения трещины (по Гриффитсу) примет вид:

± ( W - r ч -//1) = 0.

дс

54 Существующие представления о хрупком разрушении

Подставляя сюда W, U и Uu получим

. (.? + p)lTC а2 + 2Я (—26 + 2с)о2 — 4Г = О

4G

или

[(1 4 - Р) кс + 4 Л (6 — -с)) о 2 ^ 1 6 G T .

Тогда

8 -2 G (1 -(- ,л) Г

<7 =

— ж (1 4- Е) + 4П (Ь — с) (1 4- гл)

14- [л

_______2ЯТ_______

п с + П (Ь — с) (1 4- ц)

Если П -*■0 (очень жесткая машина), то имеем формулу Гриф­ фитса.

Если П —>-оо ('бесконечно большой пневмоаккумулятор), то ст—>-0 (напомним, что расчеты проведены в предположении на­ личия исходного дефекта).

Вышеприведенные выкладки, конечно, отнюдь не могут пре­ тендовать на строгость. В основе вывода Гриффитса положено предположение, что возмущение деформации локализуется лишь вблизи трещины, откуда и вытекает отсутствие работы, производимой внешними силами.

Между тем выражение Р = 2(6 — с)а не согласуется с этим предположением. Если локальные процессы в зоне трещины влияют также и на смещения верхнего и нижнего торцов об­ разца, то подсчет W должен быть уточнен и нужно иметь реше­ ние для пластины конечных размеров. Между тем сейчас энер­ гия подсчитана для пластины, свободной на бесконечности.

Однако при всей приближенности и нестрогости этих расче­ тов они показывают, что с ростом податливости машины соп­ ротивление разрушению должно падать, что, по-видимому, со­ ответствует известным закономерностям.

Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению 57

серьезную опасность. Поэтому в части получения характерис­ тик сопротивления разрушению при однократном кратковре­ менном нагружении основной интерес представляет способность данного изделия, с учетом свойств материала, формы и разме­ ров образца и свойств нагружающей системы, сопротивляться хрупкому разрушению. Здесь, как и обычно, хрупким условно называется макрохрупкое разрушение.

В современных предельно форсированных конструкциях ма­ териал часто работает при очень высоких напряжениях, поряд­ ка 50% от предела прочности, полученного при испытании глад­ ких образцов на растяжение. В ряде случаев детали рассчиты­ ваются на определенный срок службы, так как конструирова­ ние, исходя из предела выносливости материала, т. е. при не­ ограниченной длительности работы, привело бы к получению недопустимо большого веса конструкций. В этих условиях весь­ ма важно знать максимальное номинальное напряжение, не приводящее ни в каком случае к преждевременному разруше­ нию детали или узла из данного ^материала.

Однако современные механические испытания не дают еще возможности определить это безопасное напряжение. Нередко наблюдаются случаи внезапного хрупкого разрушения конст­ рукций, выполненных из материалов, имеющих высокую плас­ тичность при испытании гладких образцов (табл. 5 и 6). Тако­ вы массовые случаи разрушения сварных судов [78 и др.], ряд случаев разрушения мостов, сосудов, работающих под внутрен­ ним давлением [79, 4 и др.], примеры которых показаны на рис. 21 и 22.

Значительное число случаев хрупкого разрушения относит­ ся к сварным конструкциям. Имеются также случаи хрупкого разрушения деталей, испытывающих при работе циклические напряжения, иногда близкие к пределу текучести материала. Наконец, известны многочисленные хрупкие разрушения изде­ лий, работающих при сравнительно невысоких напряжениях, но соприкасающихся с коррозионными средами [80, 81].

Во всех названных случаях материал хрупко разрушивших­ ся деталей обладал высокой пластичностью при разрушении гладких образцов.

Как известно, склонность материла к хрупкому разрушению' зависит, кроме свойств испытуемого материала, от следующих факторов:

1)температуры тела при нагружении;

2)скорости нагружения;

3)неравномерности напряженного состояния;

4)объемности напряженного состояния;

5)коррозионного и адсорбционного воздействия окружаю­

щей среды;

60Основные методы оценки склонности металлов к хрупкому разрушению

Т а б л и ц а б

Сводные данные об оснозных случаях хрупкого разрушения сварных судов «Либерти» за период 1942—45 гг. [76, 77]

6) запаса упругой энергии системы, включая разрушаемо тело. Чем больше этот запас, тем медленнее снижается сила в процессе разрушения при данных условиях нагружения и тем больше скорость разрушения [180].

Вопрос о влиянии скорости нагружения и температуры ис­ пытания рассматривался в ряде работ [82, 83] и др. Следует за­ метить, что влияние этих двух факторов далеко не всегда одина­ ково.