книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов

П Р Е Д И С Л О В И Е

Развитие техники непрерывно выдвигает перед наукой о прочности конструкционных материа­ лов новые проблемы и задачи. Это обусловлено тем, что общая тенденция в осуществлении тех­ нических замыслов и проектов всегда предус­ матривает использование материалов и сварных соединений с заданными физико-механическими свойствами — прочностью и пластичностью, жа­ ропрочностью и хладностойкостью, трещиностойкостью (способностью материала тормозить распространение в нем трещины), ударной вяз­ костью, необходимым сопротивлением малоцикло­ вому или многоцикловому разрушению и т. п. Изучение этих свойств является основной частью разработок в области создания новых материалов, совершенствования технологических процессов их производства и обработки, а также в области определения ресурса работы элементов конст­ рукций.

В последние десятилетия в машиностроении широко используются высокопрочные,' мало­ пластичные материалы, а также материалы сред­ ней прочности, которые, вообще говоря, доста­ точно пластичны при обычных условиях. Такие материалы в процессе эксплуатации при наличии различных охрупчивающих факторов (высоких скоростей нагружения, наводороживания, об­ лучения, различных концентраторов напря­ жений и т. п.), как правило, склонны к хрупко­ му разрушению, а именно к разрушению путем спонтанного распространения трещины без за­ метных предварительных пластических дефор­ маций. Поэтому при оценке работоспособности материала в конструкции необходимы данные

о сопротивлении материала хрупкому разрушению, особенно в тех случаях, когда в конструктивном элементе (детали из данного материала) имеется ос­ трый концентратор напряжений — дефект типа трещины — и когда такой элемент подвергнут совместному воздействию силовых полей и физико­ химических факторов, приводящих к повышению склонности материала к хрупкому разрушению.

Изучение явлений хрупкого разрушения материалов стало особо актуаль­ ным в связи с фактами разрушения крупных конструкций именно по хруп­ кому механизму (путем распространения трещины), несмотря на то что ус­ ловия их прочности в рамках классических подходов (по упругому или плас­ тическому состоянию) были удовлетворены. Эти факты привели к созданию методов и средств определения сопротивления конструкционных материалов хрупкому разрушению, а также к разработке теории прогнозирования ра­ ботоспособности тел (элементов конструкций), ослабленных дефектами типа трещин. Результаты исследований и рекомендаций в этой области науки о прочности материалов и конструкций составляют теперь ее новую ветвь — механику хрупкого разрушения. Усилиями многих ученых уже достигнут значительный прогресс как в области теоретических трактовок и количест­ венного описания явлений хрупкого разрушения, так и в области инженер­ ных приложений теоретических результатов.

В СССР и за рубежом опубликован ряд обобщающих трудов, посвящен­ ных анализу важнейших достижений по механике хрупкого разрушения Ч Однако к настоящему времени еще не разработаны в достаточной мере ме­ тоды определения характеристик трещиностойкости конструкционных ма­ териалов, т. е. методы определения характеристик сопротивления материала развитию в нем трещины.

В качестве количественных характеристик сопротивления материала распространению в нем трещины принимают такие показатели:

лено тем, что значения характеристики Я1с тем выше, чем больше вязкая, волокнистая часть поверхности разрушения. Однако понятие «вязкость разрушения» является более широким и характеризует ворбще ресурс плас­ тичности данного материала при его разрушении. Мерой этого ресурса плас­ тичности — вязкости разрушения — служат степень волокнистости из­ лома, ударная вязкость, относительное удлинение или сужение образца (в том числе, может быть, и величина 7Г1с) и т. п. Поскольку эти данные, кроме Я 1с, не связаны прямо с инструментом хрупкого разрушения — тре­ щиной, по-нашему мнению, физически более оправданным для обозначения характеристики сопротивления материалов распространению трещины яв­

В данной книге излагаются главным образом результаты исследований авторов по созданию эффективных методик определения характеристик трещиностойкости (у, # 1с, 6К) материалов и рекомендации для инженерной практики. В основе предлагаемых методик находится испытание цилиндри­ ческого образца с внешней кольцевой трещиной на растяжение, изгиб или усталостное разрушение путем кругового изгиба. Значительное внимание уделено проблеме динамических (ударных) испытаний образцов с трещина­ ми, а также построению диаграмм усталостного разрушения.

Глава I имеет вводный характер: в ней изложены основные положения механики хрупкого разрушения, краткий анализ методов определения трещиностойкостп материалов и некоторые соотношения механики сплошных сред, необходимые в дальнейшем.

Во II, III и V главах дано решение задачи о предельном равновесии ци­ линдра с внешней кольцевой трещиной, когда такой цилиндр подвергнут осевому растяжению или изгибу. При этом для указанной задачи установ­ лены значения коэффициентов интенсивности напряжений, условия суще­ ствования состояния плоской деформации в окрестности контура трещины и т. п. Задача о растяжении цилиндра с кольцевой трещиной рассмотрена также в рамках 6к-модели и установлены соотношения, связывающие крити­ ческое раскрытие трещины 6К с силовыми и геометрическими параметрами этой задачи. Рассмотрена динамическая задача о растяжении цилиндриче­ ского образца с мелкой кольцевой трещиной. Для некоторых случаев приве­ дено сопоставление теоретических и экспериментальных данных.

В IV главе исследована кинетика усталостного распространения тре­ щины и даны рекомендации для прогнозирования долговечности элементов конструкции при усталости на основе предложенных диаграмм усталостного разрушения цилиндрических образцов пз данного материала.

Анализ основных подходов к определению характеристик трещиностойкости материалов при статическом растяжении образцов, в том числе и цилиндрического с кольцевой трещиной, методик образования кольцевых трещин, проведения эксперимента, а также нахождения значений у и K ic для некоторых материалов дан в главе VI. Здесь же описаны оборудование и методика определения критического раскрытия трещины 6К.

Глава VII посвящена динамическим испытаниям (на ударную вязкость) образцов с трещинами, а глава VIII — усталостным испытаниям цилцндри-

ческого образца с трещиной и построению диаграмм усталостного разруше­ ния. В этой главе показано, как на основании таких испытаний можно оп­ ределить трещиностойкость Я1с и долговечность материала в конструкции при циклическом нагружении.

В приложении изложены рекомендации по стандартизации методики определения значений # 1с, а также приведены таблицы этой характеристики для ряда конструкционных материалов.

В книге приведено ограниченное число необходимых литературных источников, имеющих непосредственное отношение к существу излагаемого предмета. Более полные сведения о литературе можно найти в упомянутых ранее (см. с. 6) монографических трудах.

Авторы выражают признательность сотрудникам Физико-механического института АН УССР, оказавшим помощь при подготовке настоящей книги.

Г Л А В А

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ И МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД

К настоящему времени в СССР и за ру­ бежом усилиями многих ученых осуществлены важные исследова­ ния явлений хрупкого разрушения твердых тел как в плане ре­ шения соответствующих краевых задач механики и создания физи­ чески более обоснованных критериев разрушения, так и в области разработок методов оценки склонности конструкционных материа­ лов к хрупкому разрушению (см., например, обзоры в работах [9, 82, 118, 145]). Необходимость в таких исследованиях обуслов­ лена, с одной стороны, тем, что высокопрочные конструкционные материалы (например, жаропрочные сплавы, упрочненные стали, металлокерамические материалы, некоторые пластмассы), как правило, являются хрупкими материалами, т. е. такими, которые уже при нормальных температурах и малых скоростях нагружения разрушаются путем распространения трещины без предваритель­ ных пластических деформаций макрообъемов тела. (При низких температурах, повышенных скоростях нагружения, воздействии некоторых поверхностно-активных сред, наводороживании и в других условиях, приводящих к ограничению пластического те­ чения конструкционного материала, его разрушение путем рас­ пространения трещины доминирует). С другой стороны, реальные условия эксплуатации конструкции всегда предусматривают на­ личие некоторой жидкой или газовой среды. Эта среда проникает в деформируемое тело (элемент конструкции) через его структур­ ные несовершенства — дефекты (макроили микротрещины, гра­ ницы зерен, включений) и особенно интенсивно взаимодействует с участками тела, деформированными за предел упругости. К таким участкам относятся окрестности резких концентраторов напря­ жений (трещины, остроконечные полости или жесткие включения и др.). Именно в окрестности подобных дефектов среда, изменяя физико-механические свойства деформируемого материала, в пер­ вую очередь его сопротивление зарождению и развитию трещины, оказывает существенное влияние на служебные свойства (несущую способность) рабочего тела в целом.

сокопрочные материалы или крупногабаритные элементы конструк­ ций, свидетельствуют о недостаточности известных классических критериев оценки прочности материалов только по упругому или пластическому состоянию [138].

Анализ таких разрушений показывает, что их причиной яв­ ляются, как правило, дефекты типа трещин, а также недостаточное сопротивление материала распространению в нем трещин при воз­ действии заданных эксплуатационных факторов (температура, сре­ да, скорость нагружения, характер и длительность действия на­ грузки и т. д.). Поэтому возникает прямая необходимость в опре­

ментов конструкций в рамках механики хрупкого разрушения можно разбить на следующие этапы:

определение формы, размера и местоположения наиболее опас­ ного трещиноподобного дефекта;

выбор критерия локального разрушения в зависимости от типа материала, конструкции и характера нагружения;

установка закономерностей усталостного (докритического) распространения трещины в заданном материале;

определение напряженно-деформированного состояния элемен­ та конструкции, ослабленного дефектом заданной конфигурации; экспериментальное установление характеристик трещиностой­ кости заданного материала при внезапном (спонтанном) и уста­

лостном распространении трещины; вычисление величины критического размера трещины (или

критической нагрузки), а также долговечности работы конструк­ ции при нагрузках ниже критической.

Решение всех вопросов на первом этапе основано на лабора­ торных и натурных наблюдениях за поведением материала под нагрузкой и во многом зависит от интуиции инженера, а также на­ личия методов неразрушающего контроля дефектности материала в конструкции. Заметим, что в этом плане развитие неразрушаю­ щих методов контроля параметров дефектности материала в кон­ струкции представляет весьма значительный практический интерес.

точностью дают решение широкого многообразия упомянутых задач.

Пространственные задачи теории трещин, как и вообще задачи трехмерной теории упругости, изучены недостаточно. Здесь са­ мым эффективным следует считать метод интегральных уравнений

всочетании с интерполяционными и численными методами. При использовании аналитических решений задач теории тре­

щин в инженерной практике необходимы данные о тех характерис­ тиках материала, которые описывают процесс локального разру­ шения — распространение трещины. В настоящее время создано множество экспериментальных методик (см. [9, 82, 118, 145]) для определения характеристик трещиностойкости конструкцион­ ных материалов при внезапном и усталостном распространении трещины. Некоторые из этих методик рекомендуются как стандарт­ ные (см. проект британского стандарта [9]). Известные мето­ дики имеют, однако, некоторые недостатки, в частности для пред­ ложенных схем нагружения затруднительно установить условия выполнения автомодельности зоны предразрушения, использовать одну и ту же схему нагружения для определения различных пара­ метров (ific, у, 6К) трещиностойкости материала и др.

В настоящей работе сделана попытка на базе цилиндрического образца с внешней кольцевой трещиной разработать универсаль­ ную методику для экспериментального определения указанной выше совокупности характеристик трещиностойкости конструк­ ционных материалов. Преимущество этой методики перед другими заключается не только в ее универсальности, но и в эффективности по каждому методу испытания..

Следует отметить, что проводимые исследования на всех этапах расчета на прочность взаимосвязаны между собой, а также допол­ няют друг друга. В случае, когда известны результаты необходи­ мых исследований в рамках механики хрупкого разрушения, рас­ чет конструкции на прочность и долговечность может быть осу­ ществлен без особых затруднений.

2. Критерии локального разрушения

Разрушение твердого тела, как известно, называют хрупким, если деформации тела упругие вплоть до его разрушения. В случае, когда разрушение сопровождается значи­ тельными пластическими деформациями во всем наиболее напря­ женном сечении тела (кинематическом сечении разрушения), разру­ шение называют вязким. Это два крайних вида разрушения твердых тел. В промежутке между ними есть другие виды разрушения, которые определим с позиций теории распространения трещин в деформируемом твердом теле. С этой целью рассмотрим напря­ женно-деформированное состояние твердого двумерного тела с

трещиной и введем следующие обозначения (рис. 1,а): а — харак­ терный линейный размер трещины; х0 — характерный линейный