Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

стали. Толщину образцов постепенно уменьшали путем механи­ ческой обработки [37]. В большинстве случаев внезапный ска­ чок К* происходит при уменьшении толщины до 19—6 мм.

ИНИЦИИРОВАНИЕ ТРЕЩИНЫ И ОБЩАЯ ТЕКУЧЕСТЬ

Хотя линейная механика разрушения обеспечивает научную основу для исследования образования и развития трещин в хруп­ ких материалах, требуется достаточно корректное распростране­ ние этой теории на случаи материалов с более высокой пластич­ ностью. В качестве предпосылки для этого можно принять идеа­

Поскольку при данном пределе текучести раскрытие б про­ порционально G, его можно использовать при необходимости оп­ ределения движущей силы трещины. Можно также предполо­ жить, что разрушение (условие нестабильности трещины) зави­ сит от критического значения 6. Для случая нестабильной трещи­ ны уравнение (17) имеет аналог Gc — Ьоѵ. Это выражение полу­ чается из рассмотрения энергии, затраченной в пластической зо­ не на единичное перемещение трещины, и отличается от уравне­ ния (17) отсутствием множителя п/4.

Отмеченное расхождение возникает из-за неточных исходных допущений при выводе уравнения (17), поэтому необходимо бо­

231

лее подробно исследовать образование пластических зон в вер­ шинах трещин.

Расчеты Бердкнна и Стоуна [38]. проведенные на основе схе-' мы, показанной на рис. 10, показывают, что для весьма малых величин (т/cry значение б действительно равно G/ay, так что коэф­ фициент 4/л в уравнении (17) получается только из-за грубого приближения. Точное выражение для раскрытия трещины авто­ ры [38] дают в виде

Разложение члена ln sec в ряд и соотношение 6 = G/ay при­ водят к следующему выражению для движущей силы трещины:

— (— )

егВ[Вбу2>

Рис. 11. Раскрытие трещим в надрезанных образцах. По оси ординат —

отличается от вариантов, представленных Билби, Котреллом и Свинденом [39] и Смитом [40].

Соотношение между раскрытием трещины, приложенным на­ пряжением и общей деформацией показаны на рис. 11 для стали

232

различных марок и размеров образцов с острыми надрезами. Из­ мерения Нотта и Котрелла [41] (рис. 11, а) были выполнены на надрезанных нзгибных образцах из малоуглеродистой стали, из­ готовленных из двух половин, склеенных и скрепленных болтами друг с другом. Каждая половина образца была предварительно отполирована, после чего была нанесена прямоугольная сетка с шагом 0,075 мм при помощи алмазного индентора под нагрузкой 2 гс. Эту операцию выполняли под микроскопом. После дефор­ мирования образцы разбирали и вновь исследовали под микро­ скопом. Остальные измерения проводили на подвергаемых рас­ тяжению пластинах из алюминиевого сплава DTD-683(pHC. 11,6) и из малоуглеродистой стали толщиной 75 мм с короткими по­ перечны,ми надрезами (рис. II,в и д) [36, 38].

Результаты всех измерений раскрытия трещин лежат не­ сколько ниже расчетных величин, что, по-видимому, связано с деформационным упрочнением исследованных материалов. Осо­ бенно интересен рис. 11,6, так как на нем показан рост раскры­ тия трещины с номинальным напряжением в сечении нетто для различных отношений длины надреза к ширине пластины.

Р а ск р ы ти е трещ и н ы как критерий р а зр у ш е н и я

Для исследования инициирования хрупкого разрушения Уэллс, Бердкин и Стоун [36, 38, 42] выбрали раскисленную крем­ нием малоуглеродистую сталь в нормализованном состоянии с номинальным составом (%): 0,15 С, 1,15 Мп и 0,15 Si. При ком­ натной температуре предел текучести равен 26,7 ктс/мм2, предел прочности 45,7 кгс/мм2. Сталь поставлялась в виде поковок толщиной 75 мм. Все образцы имели такую же толщину без механической обработки поверхности. Надрезы делали сначала ножовкой шириной 2,5 мм и далее шириной 0,15 мм. Опыты про­ водили с такой скоростью нагружения, чтобы разрушение про­ исходило примерно через 3 мин после начала деформирования образцов.

Испытания на поперечный изгиб образцов толщиной 75 мм с расстоянием между опорами 300 мм проводили на испытатель­ ной машине мощностью 180 тс. Обе опоры и нагружающий нож были выполнены в виде роликов из закаленной стали диаметром 12,7 мм. Образцы помещали в ванну, охлаждаемую сухим льдом. Испытания с четырьмя различными глубинами надрезов были проведены при температурах между— 10° и — 80° С.

Испытания на растяжение были проведены на пластинах ши­ риной 915 мм с симметрично расположенными краевыми надре­ зами глубиной 38, 76, 150 и 225 мм и шириной в вершинах 0,15 мм. Образцы приваривали электрошлаковой сваркой к захватам ис­ пытательной машины мощностью 4000 тс (рис. 12), причем был осуществлен строгий контроль за соосностью нагружения. Рас­ крытие надрезов измеряли специальными датчиками. Каждый

233

образец перед испытанием охлаждали сухим льдом. Опыты с каждой глубиной надреза производили при температурах меж­ ду 0° С и — 53° С.

Все изломы имели хрупкий характер с некоторыми следами пластического сдвига за исключением некоторых испытаний на

Рис. 12. Раскрытие трещин при разрушении разрыв­ ных и изгибных образцов большой толщины из мало­ углеродистой стали с надрезами; Ь — раскрытие тре­ щины; / — ударная вязкость; 2 — растяжение 76 мм; 3 — изгиб 76 мм; 4 —статический изгиб 9,5 мм; 5 — остановка трещины; О — испытания на изгиб надре­ занных образцов, квадрат 76 мм; # —испытания на растяжение надрезанных образцов толщиной 76 мм,

шириной 915 мм

XЯ

\о а.

изгиб, проведенных при — 10° С. В табл. 2 и 3 приведены дан­ ные измерений раскрытий трещин при разрушении при различ­ ных температурах (см. также рис. 13).

При понижении температуры испытания критическое раскры­ тие трещины имеет тенденцию к уменьшению.

234

Если исключить из рассмотрения результаты испытаний на изгиб при— 10° С, то становится ясно (см. рис. 13), что критиче­ ские раскрытия трещин при изгибе имеют сравнительно малый разброс, несмотря на значительный диапазон по толщине сече­ ния нетто образцов. При испытании на растяжение выявляется несколько больший разброс критического раскрытия в зависи­ мости от глубины надреза, но для данной температуры и глуби­ ны надреза результаты довольно стабильны. Очевидно, форма'

размер пластической зоны в вершине надреза больше или мень­

что составляет для вышеописанных опытов 0,625 мм. Интересно, чта эта величина примерно соответствует ординате площадок на рис. 13. Таким образом, подтверждается известное предположе­ ние, что температура хладноломкости отделяет разрушение в ус­ ловиях плоского напряженного состояния от разрушения в ус­ ловиях плоской деформации. В целом результаты испытаний, приведенные на рис. 13, показывают справедливость точки зре­ ния на критическое раскрытие трещины как на критерий сопро­ тивления развитию хрупких трещин в сравнительно пластичных материалах типа малоуглеродистой стали. При этом важно от­ метить, что критерий 6 является функцией температуры, скорости нагружения и напряженно-деформированного состояния матери­ ала ([43, 44, 45]).

235 *