3. Вязкость разрушения к1с (поправка Ирвина)

Вязкость разрушения - Характеристика способности материала сопротив-ляться началу движения и развитию трещин при механических и других воздействиях. Если две трещины имеют одинаковые зоны пластичности и одинаковые напряжения на границе этой зоны, то напряжения и деформация внутри зо-ны пластичности должны быть равны. К1- мера напряжений и деформаций. Когда напряжения и деформации дос-тигает критических значений, происходит расширение трещины

К1с = σс (π а)^0,5.

Для пластины конечных размеров:

К1 = σс (π а)^0,5·f (a / W), где W – ширина пластины.

К1с – мера трещиностойкости материала (вязкость разрушения при плоско деформированном_(состоянии). Материалы с наибольшей вязкостью разрушения имеет наибольшую остаточ-ную прочность. Вокруг трещины существует поле напряжений упругости. В таком случае в вершине трещины напряжения должны стремиться к бесконечности. Однако в реальных материалах, прежде чем напряжения станут чрезмерно большими, появятся пластические деформации. Таким образом, обычно под действием внешних сил у вершины трещины появится пластическая зона. Ирвином предложена приближенная поправка на пластичность, которой можно пользоваться в том случае, когда размеры пластической зоны малы по сравнению с длиной трещины. Ирвин рассуждал : Пластические деформации, существующие у конца трещины, вызывают некоторое изменение в распре-делении напряжений. Наличие пластичности приводит к тому, что трещина ведет себя так, будто ее длина больше, чем на самом деле. Т.е. пластина ведет себя так, будто в ней имеется трещина несколько большего размера.

…… Если зона пластичности (r) мала относительно длины трещины (а) ,то К1 описывает распределение напряжений вокруг трещины. При одинаковых К1скорость роста трещины одинакова. Расстояние распространения трещины за один цикл определяется диапазоном изменения – f (ΔK). Sа – амплитуда напряжений за цикл. Скорость da/dn определяется наклоном кривой роста трещины (а). С увеличением трещины скорость растет. Для большего Smax скорость da/dn выше (увеличивается угол наклона кривой). Для малой длины трещины и большого напряжения скорость роста трещины одинакова как для большой длины трещины и малого напряжения.

Амплитуда изменения напряжения постоянна в каждом испытании.

Когда трещина

достигает критического значения da/dn = ∞. Происходит

мгновенное распространение усталостной трещины.

Условия необходимые для роста трещины: dU / da = dW / da, G=R , где dU / da = G – скорость высвобождения упругой энергии, где U – упругая энергия

dW / da = R – сопротивление росту трещины, где W – энергия необходимая для роста трещины

Для распространения трещины необходимо, чтобы G по крайней мере было =R. Критическое значение G может быть достигнуто при напряжении необходимом для разрушения пластины с длинной трещины 2а, материал должен исчерпать запас пластичности.

Факторы,влияющие на рост трещины

Окружающая среда (влажность, пар), частота циклов нагружения материала, толщина и вид изделия, температура термообработка, остаточные деформа-ции, завод – изготовитель (стабильность технологии).

Скорость распространения усталостной трещины выше у толстых образцов (плоская деформация). Анизотропия и улучшение свойств за счет термической обработки (закалка и старение для Al-сплава), приводят к упрочнению-увеличивается предел те-кучести (σys).

При деформации (ε <3%) наблюдается рост вязкости разрушения. Повышение Т°С приводит к росту скорости трещины в Al сплавах. При низких Т°С увеличивается предел текучести (σys) Al сплавов и может уравновесить положительное влияние Т°С.

7. Хрупкое разрушение. Критерии оценки поведения материала. Разрыв в хрупком теле при растяжении требует напряжения σ ≈ Е/500

Теоретическая прочность (разрыв межатомных связей) σ ≈ √(Еγ/а) ≈ Е/5, γ- энергия разрушения, а-межатомное расстояние.

Хрупкие кристаллические тела разрушаются по кристаллографическим плос-костям скола (гладкая зеркальная поверхность). Высокую прочность имеют тонкие усы и массивный материал, подвергнутый полировки в пламени для удаления поверхностных повреждений.

Поверхностные трещины Гриффитса l = (10) -4 м при обработке.

Скорость распространения роста трещины зависит от структуры в зоне трещины и ограничивается скоростью 2/π = 0,6 Ср (мах скорость поверхност-ных волн Релея). При пластической деформаци скорость распространения трещины снижается. Изменение скорости связано также с ветвлением трещины и релаксацией напряжений по мере роста трещины.

Скорость приближается к Сmах, когда трещина выросла в 2-3 раза по сравне-нию с ее начальным размерам.

Поверхность разрушения хрупкого тела имеет характерный вид – «гладкая зеркальная» зона с увеличивающимися неровностями вторичных трещин и их ветвление. При скорости трещины ~ 0,6 Сr образуется две симметричные наклонные площади – ветвление трещины может быть при достижении кри-тических скоростей. Однако возможно ветвление трещины при 0,3 – 0,6 Сmах.

Скорость не является критерием ветвление трещины. Критерием является коэффициент интенсивности напряжений К1 на конце трещины. Ветвление трещины связано с развитием трещины Гриффитса впереди основной трещины.

Скорость трещины в момент ветвления не является критической, она достаточно велика, чтобы напряжение были почти постоянными на значительной дуге впереди трещины и это помогает развитию ветвлений, наклоненных к основной трещины.