19.4 Методика оценки температуры остановки трещины

Одной из характерных особенностей этой методики является то, что необходимо использовать большие образцы, которые могут воспроизводить эксплуатационные условия. На основании испытаний устанавливается безопасный уровень приложенных напряжений при заданной толщине листа.

Одним из наиболее распространенных методов является метод Робертсона. Испытания по методике Робертсона позволяют непосредственно измерить температуру остановки трещины. Схему эксперимента можно представить в виде рис.118.

К образцу прикладывается равномерная растягивающая нагрузка Р и одновременно наносится удар по выступающей части образца. По длине образца создается градиент температур перпендикулярно действующей нагрузке.

В момент нанесения удара у вершины пропила зарождается трещина. Трещина будет распространятся в более нагретую часть образца и остановится при какой-то температуре. Трещина остановится потому, что она выходит из холодной зоны с низкой вязкостью в горячую зону с высоким сопротивлением динамическому развитию трещины. Далее трещина сможет развиваться лишь в том случае, когда напряжение будет доведено до предела текучести или выше.

На основании серий испытаний на листах различной толщины можно построить полную кривую остановки трещины – ТСА. Результаты испытаний представлены в виде графика, рис.119.

Рис.118. Схема испытуемых образцов: 1. нагружающий палец, 2 тонкий надрез, 3. место нанесения удара, 4. точка остановки трещины, 5. держатели приваренные к образцу, 6. образец высотой 76 мм

Рис.119. Результаты испытаний образцов разной толщины(1 – 15 мм, 2 – 20 мм, 3 – 25 мм) для малоуглеродистой стали

Проводим плавную кривую через точки перегиба, которая будет характеризовать изменение температуры остановки трещины (ТСА) в зависимости от толщины листа.

19.4.1. Влияние размера трещины на температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое состояние для сплавов на основе железа

Для сплавов на основе железа не существует строго определенной температуры охрупчивания, так как они являются поликристаллическими материалами. Для этих сплавов, имеется ряд температур, разграничивающие области относительно легкого зарождения и развития низкоэнергетического типа разрушения (хрупкого разрушения). Большинство исследований по хрупкому разрушению несущих конструкций касается малоуглеродистых сталей. Первые исследования были посвящены выяснению причин многочисленных эксплуатационных аварий цельносварных судов типа “Либерти”, спущенных на воду в 1939 – 1945 годах. Эти исследования позволили выяснить основные факторы, приводящие к хрупкому разрушению, в частности, влияние температуры на начало развития трещины скола в крупных конструкциях, несущих нагрузку. Согласно данных исследования было подтверждено ранее высказываемое предположение о том, что трещина является результатом пластической деформации. Если же в материале нет трещины, то её зарождение возможно в условиях, когда разрушающее напряжение не ниже предела текучести. После зарождения трещины её развитие возможно под действием напряжений более низких, чем предел текучести. Величина напряжений вызывающих развитие трещины, зависит от размеров трещины. Чем больше трещина, тем меньше отношение разрушающею напряжения к пределу текучести. Переход от сдвига к сколу является функцией температуры. Для анализа воспользуемся диаграммой Пеллини, для малоуглеродистой стали, рис.120.

Согласно этой диаграмме, в материале, не содержащем трещин, высокотемпературное разрушение происходит целиком в результате сдвига и разрушающее напряжение равно или больше предела текучести. По мере понижения температуры предел текучести возрастает быстрее, чем разрушающее напряжение и отношение σF/σT уменьшается до тех пор, пока при температуре TД не произойдет перехода к разрушению сколом при напряжении σF равном пределу текучести. Таким образом, температура TД является температурой перехода к хрупкому разрушению для бездефектного металла.

Для металла с трещиной ~6мм ниже Tд разрушение происходит сколом. При температуре выше TД перед зарождением трещины скола должна пройти небольшая локализованная деформация в непосредственно близком к дефекту. В этом случае разрушающее напряжение определяется длинной трещины, вязкостью разрушения Кс и степенью стесненности деформации у вершины трещины. При дальнейшем увеличении

Рис.120. Диаграмма Пеллини для низкоуглеродистой стали

σ_F – разрушающее напряжение;

σ_Т – предел текучести;

Т_FP – температура перехода к вязкому разрушению;

Т_FE – температура перехода к упругому разрушению;

Т_СА – температура остановки трещины;

Т_ND – температура перехода к нулевой пластичности;

I – легкое зарождение и развитие трещины;

II – затрудненное зарождение, но легкое развитие трещины;

III – затрудненное зарождение и развитие трещины;

IV – пластическая зона;

V – упругая зона.

температуры вязкость разрушения Кс быстро увеличивается, пока не будет достигнута температура перехода к нулевой пластичности и разрушающее напряжение не станет равным пределу текучести. Выше температуры TNД доля излома сдвигом возрастет до тех пор, пока при достаточно высокой температуре не наступит переход к полностью сдвиговому (вязкому) разрушению.

При последовательном возрастании размеров дефектов отношения σF/σT будет снижаться до тех пор, пока при весьма большом дефекте не будет достигнута температура остановки трещины ТСА, являющаяся максимальной температурой, при которой еще может иметь место нестабильное разрушение сколом при заданном уровне приложенного напряжения. Такое разрушение выше кривой ТСА становится невозможным ни при какой комбинации температуры и напряжения. Было установлено, что даже при бесконечно длинной трещине кривая ТСА для большинства сталей выравнивается ниже температуры перехода к нулевой пластичности TNД и нестабильное разрушение сколом оказывается невозможным, если напряжения не превысят этого уровня. С повышением температуры возрастание вязкости вызывает ускоренный подъем кривой ТСА до тех пор, пока не будет достигнута граница области упругого разрушения TFE, нестабильное разрушение невозможно при напряжении ниже σT. Выше уровня TFE разрушению сколом предшествует общая деформация текучести, тогда как на уровне температуры перехода к интенсивной пластический деформации TFP разрушающее напряжение становится равным пределу текучести и разрушение приобретает целиком сдвиговый характер, материал начинает вести себя как бездефектный.

Таким образом, при температуре ниже TNД легко возникает трещина скола от мелких дефектов, а потом она распространяется с малой затратой энергии. Если приложенное напряжение превышает 3,5÷5,6 кг/мм², то нестабильного разрушения можно избежать, обеспечив полную бездефектность металла.

Выше TNД зарождение трещины скола затруднено, раз начавшись, такая трещина будет легка развиваться. При температуре выше TFE становится затрудненным не только зарождение, но и развитие трещины и разрушение пойдет по сдвиговому механизму, если нагрузка не захватывает пластическую зону IV, где разрушение происходит сколом. Выше температуры TFP разрушение всегда полностью сдвиговое.