viz_kontrol_zachita

Люксметр + УФ/Радиометр «ТКА/01/3»

Область применения прибора. Промышлен% ные предприятия и организации (службы охра% ны труда и техники безопасности, службы глав% ного энергетика), учебные заведения, научные центры, музеи, библиотеки и архивы, предпри% ятия транспорта и связи, центры метрологии и сертификации, медицинские учреждения, цен% тры Госсанэпиднадзора, сельское хозяйство и многие другие.

Рекомендован для применения по резуль% татам испытаний и экспертиз министерств и ведомств. Широко применяется при аттестации

Рис. 82. Люксметр + рабочих мест. УФ$Радиометр

«ТКА$01/3»

Назначение. Измерение освещенности

(в лк) в видимом диапазоне спектра и энергети% ческой УФ%облученности нм (в мВт/м2) в спектральном диапазоне 280...400 нм (зоны А + В)

Основные технические данные и характеристики.

Динамический диапазон измерения:

•освещенности, лк . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10...200 000

•энергетической освещенности УФ%излучения, мВт/м2 . .10...40 000 Основная относительная погрешность измерения:

•освещенности, % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Рис. 83. Относительная спектральная чувствительность ТКА $01/3

Существенные преимущества перед аналогами. Возможность изме% рения излучения одним прибором в двух областях спектра, компакт% ность и удобство в эксплуатации.

151

152

Глава 6

ВИДЫ И ТИПЫ ДЕФЕКТОВ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СВАРКИ

Трещины – наиболее опасный дефект сварных швов. Они являют% ся сильными концентраторами напряжений. Выявленные трещины оставлять без исправления (подварки) обычно не разрешается. Свар% ные швы с трещинами исправляют по специальной технологии, гаран% тирующей надежную работу сварного соединения.

Усталостные трещины. Под действием циклических нагрузок в ре% зультате циклических пластических деформаций могут образовываться трещины. Даже если номинальные напряжения намного ниже предела упругости, локальные напряжения из%за наличия концентраций на% пряжений на включениях или механических повреждениях могут быть выше предела текучести. Следовательно, пластические деформации образуются локально в микромасштабе, но этого недостаточно для то% го, чтобы они были заметны визуально.

Для объяснения зарождения усталостных трещин локальными пластическими деформациями было предложено несколько эквива% лентных моделей, рис. 84. В течение той части цикла, когда нагрузка возрастает, на наиболее удачно расположенной плоскости происходит сдвиг. На падающей части цикла сдвиг в обратном направлении проис% ходит на параллельной плоскости скольжения, поскольку сдвиг по пер% вой плоскости затруднен механическим упрочнением и окислением только что образованной свободной поверхности. В этом первом цикле сдвига может произойти выдавливание либо вдавливание поверхности металла. При последовательных циклах в условиях непрерывно про% должающегося пластического течения вдавливание может перерасти в трещину (рис. 84). Если в процессе циклического нагружения напряже% ния остаются растягивающими, то этот механизм все равно работает, поскольку возникающие при возрастании нагрузки пластические де% формации во время разгрузки могут явиться причиной остаточных сжимающих напряжений. Пример образования трещины в цикличе% ском процессе нагружения представлен на рис. 85.

153

Рис. 84. Модель зарождения усталостной трещины Вуда

Рис. 85. Зарождение усталостной трещины в алюминиевом сплаве (по Сиджву):

a – вдавливание и выдавливание; б – трещина, образовавшаяся за счет сдвига

Усталостная трещина, однажды образовавшись, может расти за счет обратного. Несколько этапов роста усталостной трещины показа% ны на рис. 86. В поле растягивающих напряжений острая трещина вы% зывает образование больших концентраций напряжений при ее верши% не, где очень легко может произойти сдвиг. В материале перед трещи% ной (этапы 1 и 2 на рис. 86) по одной из подходящих плоскостей сколь% жения в направлении наибольшего касательного напряжения может произойти сдвиг. Благодаря этому сдвигу трещина расширяется, одно% временно увеличиваясь по длине. Теперь может произойти сдвиг в дру% гой плоскости (этап 3). Механическое упрочнение и увеличивающееся напряжение окончательно ослабляют другие параллельные плоскости сдвига, что делает вершину трещины тупой (этап 4). На возрастающей части цикла трещина продвигается на величину a.

154

Пластическая деформация возникла в небольшом объеме, распо% ложенном в области упругих деформаций. При разгрузке область упру% гих деформаций будет сжиматься, а ставшая слишком большой область пластических деформаций не будет более соответствовать своему окру% жению. Для того чтобы это соответствие не было нарушено, во время разгрузки участка цикла нагружения на область пластических деформа% ций со стороны упругой области действуют сжимающие напряжения. Эти сжимающие напряжения вновь будут превышать предел текучести, по крайней мере, в вершине трещины. Следовательно, здесь имеет ме% сто обратная пластическая деформация, которая приведет к сближе% нию краев трещины и восстановлению остроты ее вершины (этап 5).

Циклическое расширение и сжатие трещины (этапы 1–5 и 6–7) приводят к образованию типичного рисунка, причем каждый новый цикл добавляет новую бороздку. Эти бороздки на поверхности разру% шения видны в электронный микроскоп. И называют бороздками уста% лости. На рис. 86 показаны бороздки усталости промышленного спла% ва Al%Cu%Mg.

На рис. 87 представлена модель обра% зования бороздок, дающая общее предста% вление о процессах притупления вершины трещины и восстановления ее остроты. Эта модель синтезирует различные модели и

155

позволяет дать оценку механизма роста усталостной трещины, доста% точную для того, чтобы служить базой для изучения основ механики разрушения. Более детальная модель, позволяющая в ограниченных пределах проводить численный анализ, была недавно предложена Ней% маном. Иногда в процессе распространения усталостной трещины мо% жет включаться механизм разрушения сколом. При этом образуются хрупкие бороздки, которые представляют собой последовательные по% ложения фронта трещины при ее распространении. К этому заключе% нию можно прийти, посмотрев рис. 88, на котором представлена элек% тронная микрофотограмма образца, подвергнутого программированно% му испытанию на усталостную прочность. Программа нагружения со% стояла из пяти циклов малой амплитуды 6 ± 2 кгс/мм2, за которым сле% довал один цикл большой амплитуды 7 ± 3 кгс/мм2. Эта последователь% ность повторялась на протяжении всего испытания. История процесса нагружения легко определяется по микрофотограмме – участки из пяти прекрасно видимых бороздок чередуются с широкими бороздками, воз% никающими за счет периодических циклов большей амплитуды.

Это является доказательством того, что за каждый цикл образуется одна бороздка, а расстояние между бороздками является мерой, опре% деляющей степень распространения трещины за цикл. Из рис. 87 мож% но заключить, что за один цикл трещина распространяется на 0,2 мкм. Этот факт дает возможность определить скорости распространения трещины при исследовании различных случаев разрушения.

Бороздки усталости лучше всего видны в алюминиевых сплавах. Для образования регулярной волнообразной структуры необходимо, чтобы имелось достаточно возможностей для пластического деформи% рования материала в окрестности вершины трещины, с тем, чтобы вы% полнялось условие распространения ее фронта. Бороздки должны иметь определенную длину, иначе их нельзя считать бороздками. Воз% можности материала для деформирования должны обеспечивать по% добные деформации на некотором расстоянии от фронта трещины, иначе бороздки становятся нерегулярными и регулярная волновая структура не образуется. В материалах с ограниченными возможностя% ми для деформирования бороздки могут быть либо слабо выражены и сведены к нескольким соответствующим образом ориентированным кристаллическим зернам, либо не образоваться совсем.

Для образования регулярной волнообразной структуры необходимы:

•наличие большого количества систем сдвига и легкий сдвиг в по% перечном направлении, чтобы образовать фронт трещины и сохра%

156

нить его при прохождении через примыкающие друг к другу кри% сталлические зерна;

•наличие более чем одной кристаллографической плоскости, по

которой возможен рост трещины.

Если эти условия выполняются, то сдвиг, который происходит при расширении и сжатии трещины, может приспособиться к условиям фронта трещины, что дает возможность образования хорошо различи% мых бороздок. Очевидно, это справедливо для алюминиевых сплавов.

Если вышеприведенные требования не выполнены, сдвиг будет нерегулярным и образование периодической волнообразной структуры станет невозможным. Ориентация отдельных кристаллических зерен может быть подходящей для образования регулярной волнообразной структуры, но ограниченные возможности для скольжения могут поме% шать образованию бороздок на сколько%нибудь значительную длину вдоль фронта трещины в соседних кристаллических зернах с другой ориентацией. В этих случаях обычно наблюдаются слабо%обозначен% ные бороздки в небольшом количестве изолированных кристалличе% ских зерен и спутанные следы скольжения в окружающих кристалличе% ских зернах. Подобная картина представлена на рис. 89. В случае если кристаллические зерна деформируются слабо, бороздки могут не обра% зоваться совсем. Если деформации подвергается лишь область вблизи кристаллического зерна, то усталостное разрушение может даже про% изойти внутри кристаллического зерна, как показано на рис. 90.

157

Рис. 90. Поверхность усталостной трещины, проходящая через кристаллические зерна в высокопрочной малоуглеродистой стали

Возникает вопрос: оказывают ли влияние на процесс усталостного разрушения включения и частицы второго рода? Поскольку речь идет о зарождении усталостных трещин, то следует ожидать, что они оказыва% ют влияние. В гладких образцах местами концентраций напряжений являются включения. В таких местах может возникнуть необходимая пластическая деформация (см. рис. 84). Если имеются концентрации напряжений на механических выемках, то можно ожидать, что наличие частиц не обязательно для зарождения трещины, поскольку дополни% тельная концентрация напряжений, возникающая благодаря наличию частиц, не имеет большого значения.

По этой же причине следует ожидать, что частицы оказывают сла% бое влияние на процесс распространения трещины. В самом деле, при небольшой скорости распространения трещины их влияние весьма ограничено. На рис. 91 показано влияние на процесс распространения трещины сравнительно большой частицы. До тех пор пока фронт тре% щины не приблизился к частице на очень маленькое расстояние, она оставалась целой и последняя бороздка перед частицей все еще была прямой. В этот момент, как можно видеть из слабого речного узора на ее разрушенной поверхности, частица разрушилась. Из%за разрушения сколом частицы трещина в этом месте продвинулась вперед, но ско% рость ее распространения уменьшилась, что можно определить по близкому расположению бороздок перед частицей. Расположение бо% роздок в области A (рис. 91) указывает на слабое увеличение скорости распространения трещины всего на несколько циклов, которое имеет место из%за продвижения трещины в месте скола частицы. Расположе% ние бороздок в области B показывает, что справа от частицы увеличе% ние скорости произошло позднее. Несмотря на то, что частица, несом%

158

ненно, оказала влияние на локальное распространение трещины, сред% няя скорость распространения трещины существенным образом не из% менилась, если принять во внимание размер частицы. Из%за весьма по% стоянного расположения бороздок множество более мелких частиц, которые были вытащены из матрицы, не оказывали заметного влияния на процесс распространения трещины, рис. 91.

Рис. 91. Большая, разрушенная сколом частица на поверхности усталостной трещины в алюминиевом сплаве 2024$Т3.

В областях A и B расстояние между бороздками увеличено. Через точки C проходит граница небольшого излома бороздок. Стрелка D указывает направление распространения трещины. Стрелки Е указывают на небольшие включения

При больших скоростях распространения трещины (порядки 1 мкм за цикл и больше) картина совершенно иная, что легко видеть из рис. 91. Высокие скорости распространения трещины появляются в результате больших интенсивностей напряжения при вершине трещины (большие трещины или высокие нагрузки). Из%за больших концентраций напря% жений частицы перед вершиной трещины могут расколоться или выско% чить из матрицы, при этом образуется раковина (возможно, большая).

Оставшийся материал между раковиной и вершиной трещины мо% жет разрушиться за счет вязкого разрыва. Таким образом образуется ме% стное быстрое продвижение трещины на большое расстояние. Это со всей очевидностью показывают области с ямками (рис. 91), которые свидетельствуют о механизме слияния пустот в процессе вязкого раз% рыва.

При таких больших скоростях распространения трещин влиянием включений пренебрегать нельзя. Сравнение поверхностей разрушения, полученных в работе, показывает, что из%за небольшого количества статических разрушений расположение волн при различных скоростях распространения трещин не одинаково. При более высоких скоростях расстояние между бороздками увеличивается, а поверхность разруше%

159

ния состоит главным образом из ямок. Отсюда следует, что рост скоро% сти распространения трещин был бы значительно меньше, если бы от% сутствовали включения. Если пренебречь включениями, то скорость распространения «действительно усталостной» трещины была бы око% ло 0,5 мкм за цикл (рис. 92) вместо 1 мкм – скорости, которая действи% тельно наблюдалась при испытании.

Рис. 92. Большая, разрушенная сколом частица, окруженная ямками, расположенными между бороздками усталости. Быстрое распространение трещины в алюминиевом сплаве

Влияние частиц на процесс распространения усталостной трещи% ны существенно лишь при высоких скоростях ее распространения. Иными словами, частицы оказывают влияние только на самую послед% нюю, небольшую, часть процесса распространения трещины. Следова% тельно, для техники это не имеет большого значения, что подтвержда% ется испытанием материалов с очень низким содержанием частиц.

6.1.Анализ разрушений в условиях эксплуатации

Внастоящее время интерес к механике разрушения возрос по при% чине того, что до сих пор происходят разрушения в условиях эксплуа% тации. Соответствующее применение выводов механики разрушения

ктехнике может улучшить положение, хотя случаи разрушения промы% шленных объектов не прекратятся. Большую пользу приносит доско% нальное исследование случаев разрушений промышленных объектов, которое позволяет получить информацию о недостатках прикладной механики разрушения.

Составной частью анализа случаев разрушения в условиях эксплу% атации является электронная фрактография. Как было показано в предыдущих параграфах главы, имеется ряд очень хорошо видных на

160