Физические основы разрушения стальных конструкций

турой располагается выше, чем предыдущая, вначале удовлетворяя критерию разрушения железа и затем пе­ реходит на горизонтальную «полочку», располагаясь явно ниже значений аКр. Налицо явный переход от зеренного (гомогенного) к цементитному (гетерогенному) микромеханизму разрушения. Причем критическая, пе­ реходная ситуация соответствует моменту, когда отно­ шение dn/tn = 10/0,02 500, т. е. согласуется с теорети­ чески предсказанным соотношением (2.46). Уровень на­ пряжений разрушения на «полочке» для нормализован­ ной и патентированной сталей, обладающих более тон­ кими пластинами цементита, располагается выше, чем для отожженной. При /ц « 0,02 мкм = 2* 10-5 мм оценка по (2.44) дает ор(/ц « 170 кгс/мм2, что вполне удовлет­ ворительно согласуется с опытом (см. рис. 2.32).

По-видимому, приведенного здесь примера достаточ­ но для подтверждения высказанной гипотезы о сущест­ вовании двух микромеханизмов зарождения разрушения в перлитной стали.

Примечательно, что различие микромеханизмов раз­ рушения проявляется еще и в том, что температурные зависимости напряжений разрушения в этих двух слу­ чаях резко различаются [77]. Если для среднеуглероди­

111

стой стали 45 со структурой изотермической закалки на бейнит (рис. 2.34) ар при снижении температуры явно возрастает по мере приближения к критической темпе­ ратуре хрупко-вязкого перехода Td [77], подобно тому как это происходит в случае железа (см. рис. 2.19), то при охлаждении отожженной перлитной стали никакого резкого спада ар в точке Td не происходит, а наблюда­ ется постепенное снижение сгр и его сближение с харак­ теристикой прочности (<тв) или текучести (ат) (рис. 2.35). Собственно говоря, четкой температуры хрупко­ вязкого перехода в том смысле, как это отмечается в железе, в такой стали не удается наблюдать, просто происходит постепенное снижение запаса пластичности ф по мере сближения характеристик ов и ар. Этот вид температурной зависимости прочностных характеристик существенно отличается от схемы Дж. Хана и др. [35] и скорее очень напомина­

—ЮО ~ 5 0 О 5 0 Т ,°С

112

Г Л А В А 3

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ

Различного рода повреждения целостности металла — надрезы, трещины, царапины и т. п.,— яв­ ляющиеся концентраторами упругих напряжений, всегда вызывают беспокойство в связи с их способностью вы­ звать преждевременное разрушение конструкции при средних напряжениях ниже предела текучести или упру­ гости материала. Интуитивно их вредная роль вполне уяснима. Однако реальная опасность таких макроде­ фектов в общем случае преувеличена, так как действи­ тельное снижение величины разрушающего напряжения под влиянием концентраторов напряжений имеет место только для материалов в хрупком состоянии. Материалы, обладающие при простом нагружении достаточным запа­ сом вязкости, под действием концентраторов напряжений могут не обнаружить пониженного сопротивления раз­ рушению. Напротив, вязкий металл с надрезом способен выдержать даже большую силовую нагрузку, чем ненадрезанный металл того же нетто-сечения из-за нали­ чия зоны трехосного растяжения, в которой стеснение текучести повышает уровень упругих напряжений в ок­ рестности трещины [73].

Поэтому оценка меры реальной опасности надреза представляет серьезную проблему в физике и механике разрушения и требует глубокого рассмотрения сложной картины изменения напряжений, структуры и свойств материала в локальной зоне концентрации напряжений.

Логичность постановки задачи о разрушении под действием концентраторов напряжений в данной моно­ графии, посвященной физическим аспектам прочности конструкций, вполне очевидна по двум причинам. Вопервых, различного рода концентрации и неоднородно­ сти напряжений неизбежно возникают в любой доста­ точно сложной конструкции, в силу чего без их надле­ жащего учета и рассмотрения нельзя рассчитать проч-

115

ность изделия. Во-вторых, развитая здесь физическая модель разрушения, являясь научной основой для объ­ яснения нормальных разрушений второго типа и будучи основанной на микроскопических представлениях о при­ роде явления, естественным образом позволяет приме­ нить ее в локальной макроскопической области и тем самым охватить единой теорий также и задачу разруше­ ния первого типа, стимулированного концентрацией напряжений. Тем самым вся проблема разрушения металлических конструкций получает завершенную по­ становку в рамках физической теории.

Так же, как и в одноосном растяжении, при испыта­ нии образцов с надрезами не очень ясно, что понимать под «хрупким разрушением» в зоне концентраторов на­ пряжений, учитывая неизбежность развития в той или иной мере локальной пластической деформации, пред­ шествующей окончательному разрушению. Использова­ ние в качестве критерия доли вязкой и хрупкой состав­ ляющих в фрактограмме излома не имеет четкого физи­ ческого обоснования. Однако практическая необходи­ мость в конкретизации термина «хрупкое разрушение» под действием концентраторов напряжений все же оче­ видна. Мы условимся называть хрупкими те случаи разрушения в зоне концентраторов напряжений, когда в изломе удается обнаружить хотя бы начальные при­ знаки хрупкого скола, для чего достаточно, чтобы ма­ кроскопически на фрактограмме наблюдались единичные фасетки (блестки) хрупкого скола (рис. 3.1, а). При этом на электронной микрофрактограмме эти же фасет­ ки скола могут иметь признаки микротекучести (рис. 3.1,6), т. е. такой излом можно назвать микровязким, но макрохрупким [79]. Достаточным основанием для классификации такого разрушения как хрупкого служит локальная реализация общего критерия хрупкого раз­ рушения— (7i > а,ф [см. (2.37)], рассмотренного в гл. 2. Наличие в изломе блестков хрупкого скола об этом сви­ детельствует однозначно, что сразу же позволяет су­ дить о максимальной величине локального напряжения в зоне концентраторов напряжений. В этом сущность физического подхода к анализу процесса разрушения в зоне надреза, где прямыми методами механики сплош­ ных сред вычислить величину пикового напряжения oimax весьма трудно,

116

3.1. Виды концентраторов напряжений и их роль в хрупком разрушении

Разрушение, стимулированное содержащими­ ся в изделии дефектами, мы относим к разрушению пер­ вого типа. Изучением их традиционно занимается ме­ ханика разрушения. Но при более глубоком рассмотре­ нии можно заметить, что в области явлений, которыми занимается физическая теория, также возникают ситуа­ ции, когда разрушение стимулируется дефектами, хотя значительно более мелкого масштаба — дефектами ми­ кроструктуры, например твердыми неметаллическими включениями. Это значит, что и макроскопически одно­ родные материалы могут иметь признаки стимулирован­ ных разрушений, сохраняя при этом определенные осо­ бенности, вытекающие из различия масштаба и приро­ ды концентратора.

Вообще говоря, все концентраторы можно разделить на два вида: 1) макроскопические, которые включают макродефекты — трещины, и конструктивные концен­ траторы напряжений, т. е. те, которые вызваны извест­ ными особенностями элементов конструкций, их формой, способами соединения и т. п. (надрезы, выточки, галте­ ли) и 2) микроструктурные, связанные с наличием раз­ личного рода неоднородностей строения металла — включения, поры и т. п. Первые отличаются тем, что заранее известны конструктору, их влияние на распре­ деление напряжений может и должно быть учтено над­ лежащим образом и при правильной постановке дела макроскопические концентраторы не смогут вызвать не­ ожиданного разрушения. Этим они принципиально отли­ чаются от микроструктурных концентраторов, к которым можно отнести также неровности внешней поверхности изделий, являющимися, в сущности, микронадрезами, и которые в силу своей случайной природы не могут быть

Единственным средством борьбы с опасностью этих концентраторов в настоящее время являются тщатель­ но разработанные технические условия на качество при­ меняемых материалов и состояние их поверхности, со­ блюдение которых строго контролируется. И тем не ме­ нее нет абсолютной гарантии в том, что при хорошем,

118

в среднем, структурном состоянии материала в нем не окажется единичного выброса за пределы норм техни­ ческих условий. Следовательно, всегда остается, хотя и малая вероятность того, что в металле может оказать­ ся структурное нарушение недопустимого размера. Для того чтобы обезопасить изделие от пагубного воздейст­ вия такого нарушения, приходится вводить некоторый коэффициент запаса прочности, который, в сущности, является «коэффициентом незнания» реальной ситуации, что, естественно, хотя и повышает надежность, но не­ пременно ведет к перерасходу материала. Однако про­ блема микроструктурных (неконтролируемых) концен­ траторов может быть решена столь же надежно, как и конструктивных, если внимательно подойти к выбору структуры материала с учетом вида напряженного со­ стояния.

Физическая природа охрупчивающего действия ми­ кроконцентраторов напряжений довольно проста. Ука­ жем прежде всего, что вредное влияние микроструктур­ ных концентраторов может проявиться только при вы­ сокой степени стеснения текучести, а именно: при силь­ ном переохлаждении ниже Т1<р (см. рис. 2.30), либо в условиях сильного гидростатического растяжения (см. рис. 2.29). Наличие высокого упругого потенциала поля растягивающих напряжений (например, в зоне трехос­ ного растяжения) создает благоприятные предпосылки для гриффитсовского распространения даже весьма ма­ лых зародышевых трещин, случайно возникших вблизи включений задолго до наступления общей текучести. Если учесть возможность наличия больших внутренних (остаточных) напряжений в металле, то достаточно лишь одного элементарного сдвига, единичного акта микро­ текучести, вызванного локальным микроконцентрато­ ром, как имеющееся высокое внешнее напряжение тут же подхватывает зародившуюся субмикротрещину, при­ водя к глобальному разрушению конструкции (рис. 3.2). А так как при этом обнаружить непосредственный ис­ точник разрушения в изломе не удается, то именно такие случаи составляют большую часть тех загадочных поломок конструкций, объяснение которых в механике разрушения встречает серьезные затруднения. Степень понижения номинального разрушающего напряжения в этом случае будет пропорциональна коэффициенту кон­

119

центраций локального напряжения, поэтому ничего уди­ вительного нет в том, что такая конструкция вдруг раз­ рушилась при средних касательных напряжениях вдвоевтрое ниже лабораторного предела текучести хт. Види­ мо, так обстояло дело с внезапными разрушениями кораблей типа «Либерти», происходивших по всем рас­ четам при средних напряжениях заведомо ниже лабора­ торного предела текучести [80J. Из предыдущей главы мы уже знаем (см. 2.7), что разного рода структурные концентраторы Микронапряжений могут оказаться опас­ ными лишь при хрупком состоянии материала, обуслов­ ленном высоким пределом текучести, когда сгт > акр (т. е. Т < Та), либо в условиях достаточной жесткости нагружения, когда (3 < 1. В обоих случаях создаются условия, когда зародышевая субмикротрещина возни­ кает вблизи включения задолго до наступления общей текучести материала, а достаточно высокое внешнее на­ пряжение di может обеспечить спонтанное распростра­ нение субмикротрещины, если о\ > сткр = агр (рис. 3.3, точка А). При одноосном растяжении выше Td (когда От < Окр) никакие локальные неоднородности структуры не могут оказаться причиной внезапного хрупкого раз­ рушения. Это понятно из рис. 3.3, где в области правее diф справедливо условие а т < О к Р и никакие зародыше­ вые трещины распространения получить не могут. Та­ ким образом, условие невозможности реализации вне­ запного разрушения материала от внутренних (струк­ турных) концентраторов напряжений регулируется ве­

120