Файл: Хрупкие разрушения сварных конструкций..pdf

К О М Б И Н И Р О В А Н Н Ы Е Т И П Ы О Б Р А З Ц О В

Для изучения характера хрупкого разрушения и остановки трещины применяют многие другие типы образцов. Некоторые примеры таких образцов были приведены в гл. 3.

Следует отметить, что механизм остановки хрупкой трещины еще недостаточно изучен и до сих пор ему уделяли относительно мало внимания по сравнению с другими аспектами проблемы разрушения. Тем не менее, с практической точки зрения, пони­ мание этого процесса весьма важно. В данном разделе дается только макроскопическое описание этого явления с указанием его наиболее важных особенностей.

Вообще распространение хрупкой трещины происходит с боль­ шой скоростью. Для остановки распространяющейся трещины необходимы повышенная температура, невысокий уровень растя­ гивающих или наличие сжимающих напряжений и высокая плас­ тичность материала. Если хрупкая трещина распространяется в такие области, то ее скорость уменьшается и во многих случаях трещина останавливается. Наблюдения за поверхностью изломов при остановке трещины обычно свидетельствуют об увеличении доли площади губ среза вблизи от фронта остановившейся тре­ щины.

В общем качество стали в смысле характеристик остановки хрупкой трещины оценивается при испытаниях на остановку тре­ щины зависимостью температуры остановки от приложенного на­ пряжения, как указывалось в предыдущих разделах. В некото­ рых отношениях инициирование и остановку хрупкой трещины можно считать явлениями одной и той же природы. Таким обра­ зом, концепции энергетической теории, предложенные Гриффит­ сом [18], Орованом [19] и Ирвином [20], также применимы к яв­ лению остановки хрупкой трещины.

К р и ти ч еск ая ск о р о ст ь р а с п р о с т р а н е н и я трещ и н ы

Как уже указывалось, скорость распространения хрупкой тре­ щины весьма высока. Однако некоторые исследователи полага­ ют, что имеется минимальная величина скорости распростране­ ния хрупкой трещины.

Рольф и Холл, а также Бартон провели испытания по распро­ странению трещин с малыми скоростями на предварительно на­ пряженных пластинах (см. гл. 1 и 2) и обнаружили, что в обла­ сти, где первоначально имелись остаточные сжимающие напря­ жения, скорости распространения трещин достигали всего лишь

15,2 м/с.

Акита и Икеда [9] измеряли скорость распространения тре­ щины при испытании по «Esso» с температурным градиентом, как показано на рис. 7, а также на рис. 30 гл. 1. В испытаниях с температурным градиентом скорость распространения трещины первоначально возрастает, а затем уменьшается. При уменьше­ нии скорости распространения трещины до некоторой критичес­ кой величины трещина резко останавливается. Как можно ви­

скорости распространения трещины возрастает. Влияние различ­ ных факторов, например температурного градиента и приложен­ ного напряжения, на критическую скорость распространения трещины и механизм ее остановки требует проведения дальней­ ших исследований.

Губы среза

При обследовании поверхностей изломов образцов с остано­ вившимися трещинами обычно отмечают, что губы среза увели­ чиваются в области вблизи фронта остановившейся трещины, как показано на рис. 16, а.

Акита и Икеда [9] обнаружили, что устранение губ среза пу­ тем чеканки поверхности пластины вдоль предполагаемого пути распространения трещины, как показано на рис. 16,6, приводит

(прилож енное напряж ение 21,4 кгс/ммг)

258

к уменьшению удельной энергии, выделяющейся при распростра­ нении хрупкой трещины (рис. 17), а также к увеличению скоро­

Для безопасной работы сварных конструкций требуются ма­ териалы с высокой вязкостью, обладающие высоким сопротивле­ нием инициированию и распространению хрупких трещин. Каче­ ство стали в смысле характеристик развития и остановки хруп­ кой трещины можно оценить по температурным кривым напря­ жения остановки трещины в различных испытаниях, например, по Робертсону, на двойное растяжение или по «Esso» с темпера­ турным градиентом.

С точки зрения механики разрушения работа распростране­ ния хрупкой трещины, являющаяся удельной энергией, необхо­ димой для образования новых поверхностей (на единицу площа­ ди), оценивалась по данным работы [9] о скорости распростра­ нения трещины по энергетическому уравнению Гриффитса—Оро- вана с учетом динамических факторов. Акита и Икеда [7] опре-

делили эту энергию так:

лрЧ

(3 )

£ ( 1 + / я а 2)2

где р — напряжение; I — длина трещины; а = ѵ/с — коэффициент скорости распространения трещины; ѵ — скорость трещины; с — скорость распространения упругой продольной волны; 5 — удель­ ная поверхностная энергия; т — константа.

Хотя т в какой-то степени и зависит от скорости освобожде­ ния упругой энергии и кинетической энергии частей образца при развитии хрупкой трещины, в испытании по «Esso» при постоян­ ной температуре получена величина т = 100.

Энергия распространения трещин для различных длин тре­ щин, рассчитанная по уравнению (3) в зависимости от обратной

где So и k — константы материала.

Уравнения (3) и (4) позволяют рассчитать теоретическую за­ висимость температуры остановки трещины от приложенного на­ пряжения при испытаниях образцов с постоянным градиентом температуры исходя из данных рис. 30 гл. 1. На рис. 31 в гл. 1 приведены соответствующие теоретические кривые.

Как указывалось на стр. 244 и далее, температуры останов­ ки трещины в изотермических или градиентных условиях соот­ ветствуют температуре остановки короткой или длинной трещи­ ны. Йошики, Канадзава и Мачида [5] применили концепцию интенсивности напряжений Ирвина к явлению остановки хруп­ кой трещины и вместо действительного напряже^я о приняли

приведенное или модифицированное напряжение а, выраженное

уравнением (2). Кривые а — Т, рассчитанные из температурной зависимости напряжения остановки трещины с учетом длины остановившейся трещины в испытаниях на двойное растяжение при пологом или градиентном распределении температуры, соот­ ветствуют показанным на рис. 6.

Кошига, Имадзава и Такехана [22] объединили уравнения (2) и (4) для выражения результатов испытаний на двойное растя­ жение следующим образом:

(5)

где Ко и k — константы материала и 7*— абсолютная темпера­ тура. Линейные зависимости между logKc и Тн для стали раз­ личных марок приведены на рис. 18. На графиках данные по изотермическим и градиентным испытаниям ложатся на одни и те же прямые.

260

Вообще температурная зависимость напряжения остановки трещины применяется для оценки качества испытуемой стали в смысле способности к остановке трещины. На рис. 19 приведены температурные кривые напряжения остановки трещины при ис­ пытаниях на двойное растяжение с температурным градиентом

Рис. 18. Результаты испытаний на двойное рас­

а также закаленной и отпущенной стали, раскисленной алюми­ нием.

С точки зрения практического применения дискуссия о зави­ симости температуры остановки трещины от напряжения была бы неполной без упоминания работ Пеллини, Пьюзака и их кол­ лег [23]. В результате почти двадцатилетних интенсивных иссле­ дований совместно с другими авторами эта группа разработала концепцию температуры перехода к нулевой пластичности (NDT), а обобщенную диаграмму разрушения (рис. 20) усовер­ шенствовала до такого состояния, что ее широко используют про­ ектанты и конструкторы в промышленности. Эта диаграмма ба-

261