Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

жение и на усталость при пульсирующем цикле, результаты которых нанесены на один и тот же график (см. рис. 5), по­ скольку они сопоставимы, если их выразить через критическую длину трещины при данном уровне напряжений. ,

Во всех испытаниях медленный рост трещины предшествовал нестабильному состоянию при разрушении, и для получения достоверных результатов необходимо было регистрировать

мгновенную длину трещины (в момент достижения неустойчи­ вого состояния) с автоматической записью на диаграмму с ис­ пользованием метода измерения электросопротивления. Обна­ ружено, что образцы, изготовленные после закалки (L72), были достаточно вязкими, и во всех случаях в рабочем сечении об­ разца (нетто) достигался предел прочности материала, но мно­ гие образцы двух наибольших размеров в состоянии после старения (L73) разрушались при достижении предела текучести в сечении нетто. На графике зависимости разрушающего напря­ жения от длины трещины, построенном в логарифмических координатах (см. рис. 5), при высоких напряжениях можно наблюдать заметное отклонение линии, обозначенной «беско­ нечная пластина» и построенной с поправкой на пластическую

216

зону, от прямой с угловым коэффициентом V2, соответствующей упругому состоянию материала в вершинах трещины вплоть до разрушения. Две другие сплошные линии получены для указан­ ного значения вязкости разрушения расчетным путем по урав­ нению (10) с учетом конечной ширины пластин, а также поправ­ ки на величину пластической зоны. Результаты испытаний для пластин шириной І00 мм из сплава L73 не удается удовлетво­ рительно скорректировать поправкой на размер пластической

6, хгс/мп2

Рис. 5. Прочностные свойства листов из высокопрочного алюми­

зоны, так как разрушения происходили при напряжениях, пре­ вышающих предел прочности в сечении нетто, и имели чисто вязкий характер с расположением излома под углом 45° к плос­ кости пластин.

В следующем примере рассмотрено влияние поперечных трещин на условия разрушения пластин из высокопрочной стали при комнатной температуре по результатам Сроули и Бичема [21]. Предел текучести стали после термообработки составлял 147,6 кгс/мм2. Трещину заданного размера в центре пластин получали путем электролитического вытравливания незащищенных участков образцов. Образцы затем просушивали для удаления водорода, а поверхности полученной трещины под­ вергали искусственному окислению. После разрушения пластин

217

было видно, что трещины имели приблизительно полуэллипти­ ческую форму (рис. 6, а). Как видно из рисунка 6, б разрушаю­ щее напряжение в сечении нетто в значительной степени зави­ сит от размера трещины. Значения показанные на рис. 6, в,

Рис. 6. Прочностные свойства листов из высокопрочной стали с по­

разрушения; # — ширина 25,4 мм; ■ — ширина 50,8 мм; ▲ — ширина 76,2 мм

были определены по уравнению (14) с поправкой на пластиче­ скую зону (предел текучести при одноосном растяжении умно­ жали на коэффициент 1,7, учитывающий трехмерное напряжен­ ное состояние в вершинах трещин). Полученные значения К\е достаточно стабильны, за исключением тех, которые соответству­ ют малым дефектам и разрушающим напряжениям, прибли­ жающимся к пределу текучести материала.

218

В Л И Я Н И Е Т Е М П Е Р А Т У Р Ы , С К О Р О С Т И Д Е Ф О Р М И Р О В А Н И Я И М А С Ш Т А Б Н О Г О Ф А К Т О Р А

Н А В Я З К О С Т Ь Р А З Р У Ш Е Н И Я

Приведенные выше примеры экспериментальной проверки теоретических положений механики разрушения были ограни­ чены узкими интервалами температур, скоростей деформирова­ ния и характера напряженно-деформированного состояния в вершинах трещин. Качественное влияние этих переменных на вязкость разрушения известно из результатов испытаний образ­ цов с кольцевыми надрезами. Так установлено, что вязкость разрушения уменьшается при понижении температуры, увели­ чении скорости деформирования или изменении напряженного состояния в вершине трещины от плоско-напряженного к трех­ осному (соответствующему плоской деформации). Изменение вязкости разрушения, по-видимому, главным образом связано с соответствующими изменениями предела текучести материала. Изменения вязкости разрушения под влиянием указанных факторов достигают наибольшей величины в материалах типа малоуглеродистой стали, в которых имеются многочисленные смешанные варианты разрушения от вязкого до чисто хрупкого, в то время как для некоторых цветных металлов и пластмасс, в которых смешанные типы разрушения не наблюдаются, вяз­ кость разрушения остается гораздо более стабильной.

Изменчивость внешнего вида изломов была исключена, на­ сколько это возможно, при низкотемпературных испытаниях малоуглеродистой стали на растяжение с большой скоростью деформирования, проведенных Крафтом и Салливаном [22] с использованием цилиндрических образцов с острым кольце­ вым надрезом. В обычных условиях эта сталь имеет, как извест­

ственно между кромками надреза. В большинстве опытов применяли образцы с внешним диаметром 19 мм, и при темпе­ ратурах в интервале от —196 до —70° С удавалось получать разрушающее напряжение ниже предела текучести при продол­ жительности испытаний от 1 мкс до 1 с.

Несколько проверочных испытаний было проведено на образцах диаметром до 75 мм. Для сравнительно хрупкой малоуглеродистой стали типа Е (свойства см. в гл. 1) в резуль­ тате расчета, где это необходимо, были введены поправки на величину пластической зоны (рис. 7). Наличие эксперименталь­ ных данных по динамическим пределам текучести для той же стали позволило авторам найти корреляцию между вязкостью разрушения и пределом текучести, отражающую одновременно влияние температуры и скорости деформирования. Чтобы уста­

219

новить такую корреляцию, необходимо было оценить скорости деформирования в вершине надреза в момент начала разруше­ ния. Распространив полученные результаты на другие стали, авторы обнаружили, что коэффициент интенсивности напряже­ ний К\с обратно пропорционален cry5 . Был также установлен

увеличивающийся в зависимости от свойств стали коэффициент пропорциональности, который можно определять при обычных испытаниях на ударную вязкость.

На пластинах из высокопрочной стали и алюминиевого сплава были получены данные по стабильному увеличению Ки

кІс.кгс/мп3іг

Рис. 7. Результаты измерений вязкости разрушения малоуглеродистой ста­ ли Е, выполненных при низких температурах и высоких скоростях деформа­

при повышении температуры испытания от температуры жидко­ го азота до комнатной, однако это увеличение менее заметно, чем для малоуглеродистой стали. Так, например, данные, полу­ ченные на образцах больших сечений из роторной стали, пока­ зывают, что Кіс увеличивается в 3 раза при повышении темпе­ ратуры испытания от —184 до +204° С.

Разрушение при плоско-деформированном и плоско-напряженном состояниях

Разрушение сдвигом под углом 45° или путем отрыва под углом 90° к направлению приложенного напряжения наблю­ дается при различных условиях испытаний в хрупких пластмас­ сах, алюминиевых сплавах, малоуглеродистой и высокопрочной стали, т. е. почти во всех исследованных материалах. Переход от одного типа разрушения к другому определяется температу­ рой и скоростью деформирования, но не менее важен и чисто масштабный эффект изменения размеров поперечного сечения

220