Файл: Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла.pdf

постоянными при некоторых длинах трещины. Для того чтобы сохранить без изменения АК на обычных образ­ цах, должен постоянно корректироваться размах прило­ женной нагрузки АР по мере увеличения длины тре­ щины. Преимущество образца клиновидной формы пе­ ред образцами другой формы заключается в том, что в этом случае К можно сделать независимым от длины трещины и изменяющимся пропорционально Р. Некото­ рые типві клиновидных образцов дают практически по­ стоянный коэффициент интенсивности напряжений на значительном диапазоне длин трещин.

При правильно выбранной клиновидности образца удается получить линейную зависимость между многими факторами. Поддаются контролю скорость распростра­ нения трещины при большой интенсивности роста на­ пряжений. Клиновидные образцы пригодны для исследо­ ваний на воздухе и в агрессивной среде.

Для того чтобы К оставалось неизменным при испы­ тании с постоянной нагрузкой Р или чтобы К зависел только от изменения Р, должно выполняться условие

ЗГ-/п3 + 1/А = const,

где h — высота образца у вершины трещины. Экспериментально установлено, что при выполнении

указанного условия отклонение К составляет менее 2% при изменении длины трещины до 200 мм. Образцы с по­ стоянной податливостью могут иметь, небольшие раз­ меры и для их испытания требуется машина небольшой мощности. Коэффициент интенсивности напряжений К сохраняет постоянное значение при длине трещины от 0,25 до 0,5 l/w (I и w измеряются от плоскости прило­ жения нагрузки, обозначения — см. рис. 33,6).

Для уменьшения разброса, связанного с установле­ нием начала возникновения трещины, отсчет роста тре­ щины ведется с момента, когда она вырастет до 1,2— 1,5 мм. При этом она уже охватывает всю длину по­ перечного сечения. Для фиксирования направления роста трещины по середине образца с одной или обоих сторон делают неглубокие пологие канавки.

В обычных образцах К увеличивается по мере роста трещины при одновременном изменении податливости образца. Поэтому получаются параболическая кривая длина трещины — число циклов. Для определения ско­ рости роста трещины необходимо продифференцировать эту кривую в выбранных точках, что приведет к ошиб­ кам, в особенности если дифференцирование произво­ дится графически. Если скорость выражать в функции К, как это обычно принято, К должен быть рассчитан для тех же точек или длин трещины. При использовании клиновидных образцов вычисление скорости значитель­ но упрощается в связи с тем, что в широком диапазоне длин трещин получается при постоянной нагрузке посто­ янная интенсивность напряжений.

Кроме биноминальной формы для расчета коэффици­ ента интенсивности напряжений применяется тангенци­ альная форма зависимости.

Как было указано, с физической точки зрения К является функцией напряжения и длины надреза—тре­ щины. Для полубесконечной пластины со сквозной тре­ щиной длиной 21, подвергнутой воздействию однородно­

трещины в полосе, подвергнутой растяжению, определя­ ется из выражения

84

Для полосы с двумя острыми надрезами на кромках глубиной /

а для полосы с одним острым надрезом на кромке глу­ биной /

с наличием пластической зоны у вершины трещины пу­ тем прибавления к полудлине трещины / величины пла­ стически деформированной зоны

85

При этом, однако, должно соблюдаться условие, что а < 0 , 8 а г . Эта трактовка предполагает идеальную плас­ тичность материала при сдвиге и отсутствие деформа­ ционного упрочнения, что вносит некоторую погреш­

2

цев [37]. Использование этих образцов позволяет зна­ чительно ускорить испытание, поскольку с помощью одного такого образца можно получить информацию о со­ противлении усталости материала при различных по ве­ личине переменных напряжениях. Проводя металлогра­ фический или рентгеиоструктурный анализ зон металла у надрезов, можно исследовать различные стадии на­ копления усталостных повреждений в материале (его разрыхление или упрочнение), возникновение и кинети­ ку развития трещины (их распространение или консер­ вацию) и т. д.

При проектировании образцов рассматриваемого ти­ па следует, однако, учитывать возможное отрицательное влияние группового расположения надрезов, заключаю­ щееся в том, что при близком расположении надрезов возможно ослабление концентрации напряжений. Про­ веркой могут служить результаты контрольных испыта­ ний образцов с одним и несколькими однотипными кон­ центраторами напряжений.

86

Особенности подготовки образцов

Помимо общих требований к подготовке образцов, для правильной оценки скорости роста трещин необхо­ димо учитывать следующее.

1. При выращивании трещины путем приложения предварительной повышенной циклической нагрузки у дна надреза возникает пластически деформированная зона с остаточными сжимающими напряжениями. В этом случае большое значение имеет снятие остаточных на­ пряжений термической обработкой.

2. Для того чтобы получить усталостные трещины, начинающиеся непосредственно с боковой поверхности образцов, вначале изготавливают образцы несколько увеличенной ширины, делают острые механические над­ резы, затем выращивают усталостные трещины, механи­ чески удаляют припуск, оставленный с боковых сторон образца, а затем уже производят отпуск для снятия остаточных напряжений, наведенных при выращивании трещины и механической обработке.

3.Для лучшей видимости трещины боковые поверх­ ности образцов подвергают полировке с последующим легким протравливанием. Для удобства измерения дли­ ны трещины и использования для этого обычного микро­ скопа на предварительно отполированную боковую по­ верхность образцов на приборе Виккерса алмазной пи­ рамидой наносят отпечатки через определенные расстояния.

4.В тонких листовых образцах достаточную точность дает слежение за продвижением трещины непосредст­ венно по поверхности. В образцах с достаточно больши­ ми сечениями при таком методе слежения теряется точ­ ность (до момента выхода трещины на боковую поверх­ ность), так как не фиксируется начальная стадия роста трещины в центральной зоне образца.

5.Для фиксирования роста трещин в направлении, строго перпендикулярном действию приложенной силы, на одной или обеих боковых поверхностях образцов ре­

87

ности напряжений в условиях плоской деформации и мгновенного роста трещины принят за показатель стой­ кости материала против хрупкого разрушения и харак­ теризует сопротивление материала продвижению в нем трещины при отрыве. К \ с может быть определен путем статического растяжения или изгиба образца (статиче­ ский метод) с предельно острым надрезом (надрез, име­ ющий такую длину и такой радиус у основания, измене­

в определении нагрузки, вызывающей быстрое распрост­ ранение трещины в образце. При этом каждому размеру образца и характеру приложения напряжений соответ­ ствует критический размер трещины, определяющий пе­ реход от медленного распространения к быстрому. Рас­ четная формула имеет вид

можную минимальную зону пластической деформации. Уменьшение пластической деформации в приповерхност­ ных слоях за счет увеличения толщины образца приво­ дит к «прямому» излому без боковых сколов. При этом

88