2421

теряя при этом значительную долю своей полезности как инвариантной характеристики материала. Хотя Г. В. Ужик [73] не имел в своем распоряжении зависи­ мости от факторов ат, а,ф и Kt в аналитической фор­

ме, тем не менее экспериментально несущая способность

была исследована им весьма подробно и разно­ сторонне, в связи с чем возникает возможность проана­ лизировать полученные автором [73] экспериментальные результаты в свете развитых выше теоретических пред­ ставлений.

На рис. 3.20 представлена заимствованная из работы

151

из сталей с различным окр и ат. Несмотря на некоторую нелинейность графиков, аппроксимация их линейными

(3.33) достаточно близко к экспериментальным результатам, полученным Г. В. Ужиком. Аналогичные результаты дает сопоставление данных, приведенное на рис. 3.21, по зави­

симости о” от окр. Автор [73] подчеркивает, что несущая способность надрезанного образца сложным образом за­ висит от окр и предела текучести от, и в особенности

от отношения окр/от, обозначаемого у нас Кв- Несущая способность при увеличении Кв вначале возрастает, за­ тем, достигнув максимума, начинает уменьшаться в свя­ зи с переходом к полностью вязкому разрушению (см. рис. 3.20). Интересно отметить, что максимум несущей

способности о" на рис. 3.20 наблюдается при увловии

Но наиболее показательным для подтверждения сде­ ланных теоретических расчетов, конечно, является непо­ средственное сравнение величин о", рассчитанных по

формуле (3.33) с экспериментальными значениями. Г. В. Ужик проводил опыты по разрушению надрезан-

152

<5Ц,кгс/ммг Ht - 4

ных образцов на сталях типа 45, 40Х и 18ХНВА (Э — 16) в различном структурном состоянии, созданном соответствующей термообработкой. Используя таблич­ ные данные, весьма подробно приведенные в книге [73], нам удалось построить графики, представленные на рис. 3.22, 3.23, и нанести на них величины рассчитанные

по формуле (3.33). Во всех случаях были использованы данные для надреза с параметрами: t = 3,2, а = 4,3, р = = 0,3 мм; Kt = 4,1, D = 15 мм . Можно с удовлетворе­ нием отметить, что соответствие наших расчетов с экспе­ риментальными данными Г. В. Ужика настолько удов­ летворительно, что на рис. 3.23 отчетливо отмечается типичный эффект падения несущей способности в ин­ тервале температур отпускной хрупкости стали 40Х.

Применимость формулы (3.33) к расчету о” для раз­

личных типов надреза иллюстрируется на примере ста­ лей 45 и 18ХНВА (рис, 3.24). Лишь Для надреза с весь­

153

опытов для дополнительного подтверждения развивае­ мой здесь физической теории разрушения. Более того, доказательство справедливости полученной теоретиче­ ской формулы (3.33) послужит основанием для разра­ ботки практически полезных способов эксперименталь­ ного определения фундаментальных характеристик ма­ териала аКр и Кв и обоснования способа определения величины вязкости разрушения /СКр » Ки по упрощенной методике разрушения цилиндрических надрезанных об­ разцов.

3.6. Влияние запаса вязкости на несущую способность стали при растяжении

Ниже будут рассмотрены некоторые резуль­ таты экспериментов, которые были поставлены специ­ ально для проверки основных выводов, следующих из физической теории разрушения стали в условиях слож­

154

ного напряженного состояния, возникающего в зоне кольцевого надреза. *

Вэтих опытах были использованы образцы гладкие

ннадрезанные с параметрами надреза, пропорциональ­ ными тем, которые применялись Г. В. Ужиком [73]: D =

лученным отжигом при температуре 1060° С в тече­ ние 6 ч. Расчетное значение критического напря­

водились в два этапа. Сначала на гладких образцах исследовались основные механические характеристики стали в интервале температур от комнатной до темпе­ ратуры жидкого азота (—196°С). Особенностью этих испытаний было то, что наряду с традиционными харак­ теристиками — пределом текучести От, временным сопро­ тивлением ав и истинным напряжением разрушения ар были определены важнейшие характеристики физической теории разрушения — критическое напряжение хрупко­ го разрушения акр и коэффициент запаса вязкости Кв = ■= сгкр/ат в интервале температур +20°... —196° С (рис. 3.25). Экспериментально определенное значение акр для. данной стали оказалось равным 70 кгс/мм2, что удовле­ творительно согласуется с расчетом по размеру зерна. На рис. 3.25 видно, как с понижением температуры ис­ пытания гладких образцов повышаются характеристики прочности от и Ов и падает запас вязкости Кв от 3 до 1 при температуре — 170° С, близкой к Ткр. Заметим, что на этом рисунке не приведены традиционные характери­ стики пластичности — относительное удлинение 6(%) и относительное поперечное сужение образцов в шейке “Ф(%)• Как увидим дальше, никакой надобности в этих характеристиках для прогнозирования несущей способ­ ности стали в исследуемом интервале температур не воз­ никает, тогда как характеристика Кв, напротив, оказы­ вается весьма существенной.

* Эксперименты были выполнены Г. С. Меттусом и К. Л. Френ­ келем.

155

Говоря о несущей способности стали, в общем слу­ чае мы имеем в виду то максимальное напряжение, ко­ торое выдерживает одноосно растягиваемый образец в момент, непосредственно предшествующий разрушению. Для гладкого образца это соответствует величине истин­ ного напряжения разрушения ар в месте образования шейки, для образца с надрезом — это среднее напряже­ ние в наименьшем сечении в момент разрыва ojj. Не­

смотря на то что локальное сужение при квазивязком разрушении гладкого образца (шейка) хотя и является аналогом кольцевого надреза, тем не менее характер его влияния на изменение несущей способности образца при растяжении ор совершенно не похож на влияние надреза на оЦ (рис. 3.25 и 3.26). При уменьшении запа­

са вязкости /(в с понижением температуры сгр сначала немного возрастает, а затем при температуре Гкр резко падает до уровня акр, когда шейка, вообще говоря, исче-

156

зает и разрушение носит характер плоского отрыва (рис. 3.25) . На образце с кольцевым надрезом, напротив, не­ сущая способность о” при понижении температуры не­

прерывно понижается; при определенной температуре, которую обозначим Т1^ , несущая способность oj|

сравнивается с а1ф и затем оказывается меньше сгкр (рис. 3.26) \ Как видим, поведение характеристик сгр и о” при

понижении температуры совершенно противоположное, поэтому при рассмотрении вопроса о том, какая из этих

характеристик лучше отражает свойство материала охрупчиваться при снижении температуры, предпочтение следует отдать, конечно, о”. Действительно, хорошо изве­

стно, что вязкость стали как один из показателей надеж­ ности конструкционного материала при снижении темпе­ ратуры уменьшается. Поэтому совершенно обманчивое впечатление производит увеличение ар в интервале темпе­ ратур образования шейки — выше Гкр (см. рис. 3.25). Кстати, этой области температур соответствуют и доволь­ но высокие значения относительного сужения ф — основ­ ной стандартной характеристики пластичности материала (см. рис. 2.6). Величины значений ф на уровне 50— 60% — признак хорошей пластичности стали, но вблизи Ткр столь высокие значения ф никак не отражают реаль­ ного запаса вязкости материала в конструкции, т. е. в

температур выше Ткр обусловлено проявлением сильного деформационного упрочнения в шейке, которое вносит существенный вклад в повышение несущей способности стали, разрываемой при одноосном растяжении. В слу­ чае надреза подобная ситуация имела место только в образце, разрушенном вязко при комнатной температу­ ре (см. рис. 3.26), и для него несущая способность о”

оказалась примерно равной величинам ар гладкого об­ разца. В остальных случаях в изломе образцов, разру­ шенных с надрезом, имелись явные признаки хрупкости в виде больших участков, заполненных многочисленны­ ми блестками хрупкого скола. Заметим, что несущая

157

способность надрезанного образца оказывается пример­ но равной акр при соотношении KB/Kt « 1 в хорошем соответствии с теоретически полученным ранее выводом (см. (3.34) и (3.35)). Результаты на рис. 3.26 хорошо также согласуются с выводами теории в части форму­ лировки структурно-геометрического критерия хрупкости в надрезе (3.30). Согласно критерию (3.30), признаки хрупкого разрушения под надрезом в виде наличия блестков хрупкого скола могут наблюдаться при выполне­ нии условия Q m a x > Кв, а Т Э К К Э К Q m a x » Kt (рис. 3.13), то условие (3.30) принимает вид Kt > Кв и разрушение будет вязким, если Kt < Кв. Как видим, на рис. 3.26 заштрихованная зона охватывает как раз критические значения KB/Kt » 1, разделяющие области вязкого и хрупкого разрушений надрезанных образцов. Из сравне­ ния рис. 3.25 и 3.26 возникает возможность ввести опре­ деление критической температуры хрупкого перехода

для образца с надрезом Т£ как температуры, при ко­

торой несущая способность надрезанного образца оказы­ вается равной критическому напряжению хрупкого раз­ рушения: о"в « аНр. Такое определение, с нашей точки

зрения, выглядит логичнее возможных других, посколь­ ку оно идентично определению Ткр для гладкого образца (ат « ар « а1ф), и, таким образом, понятие критической температуры получает определенную универсальность в связи с единством принципа определения. Сразу же от­

соответствует качественной схеме Орована (см. рис. 1.16), иллюстрирующей влияние надреза на температу­ ру хрупко-вязкого перехода материала.

Таким образом, ни ор как характеристика несущей способности материала, ни ф как характеристика пла­ стичности при одноосных испытаниях не являются по­ казателями, хоть в какой-то мере надежно описываю­ щими свойство материала охрупчиваться в конструкции (в сложно-напряженном состоянии). Поэтому использо­ вание, в частности, характеристики ф в технических ус­ ловиях на сталь оказывается бесполезным, если элемент изделия будет находиться в жестких условиях нагруже­

158

мость Кв (рис. 3.25) качественно подобна температур­ ной зависимости вязкости разрушения К\с (см. рис. 1.20), что дает основание надеяться на хорошую теоретическую интерпретацию расчетной величины А'кр по формуле (3.25) как показателя, по своей величине приближающегося к характеристике Kic.

В заключение следует отметить, что развиваемые здесь соображения о целесообразности широкого исполь­ зования нетрадиционных характеристик механических свойств уже нашли полезное применение в недавно вы­ шедшей книге Л. А. Копельмана [83] при оценке сопро­ тивляемости хрупкому разрушению элементов конструк­ ций. Рассматривая сопротивление отрыву 50Тр как ми­ нимально возможную сопротивляемость материала хруп­ кому разрушению при температуре хрупко-вязкого перехода, т. е. в духе нашей характеристики окр1 автор [83], в частности, получил выражение для Ки в виде, аналогичном формула (3.10) для /С1ф вблизи переходной температуры Ткр:

159

где р * — размер структурного элемента. В соответствии с тем, что говорилось по этому поводу в разделе 3.3, можно предположить, что под р * следует понимать раз­ мер зерна d. Если это так, то формулы (3.10) и (3.10 а) оказываются численно весьма близкими. Там же обра­ щено особое внимание на соотношение 50Тр/ат как фак­ тора, определяющего в совокупности с жесткостью на­ пряженного состояния Q = 01 hi достижение локально­ го критерия разрушения в зоне надреза.

3.7. Ограниченность охрупчивающего действия надрезов при разрушении пластичных материалов

Подводя итоги рассмотрению разрушения сталей под действием надрезов, можно прийти к выво­ ду, что охрупчивающее влияние надреза, т. е. сниже­ ние несущей способности материала, возникает только при нагружении недостаточно вязких материалов, для которых Кв « 1. Как видно из формул (3.36) и (3.37),

условие Кв < y^Ktf необходимое для того, чтобы несущая способность о" надрезанного образца упала ниже от

(типичное разрушение первого типа), для Ка = 1 вы­ полняется автоматически при любом Kt > 1; это зна­ чит, что для хрупких материалов любой надрез, даже царапина уже представляет опасность из-за локальной концентрации напряжений. Напротив, для вязких мате­ риалов мелкий надрез не представляет опасности охруп­

Kn>VKi- Увеличение а£ в этом случае связано с повышением уровня упругих напряжений во внутренних областях материала вблизи надреза вследствие трехосности напряженного состояния. Такая ситуация возни­ кает только в случае, если под надрезом развивается процесс пластической релаксации, сдвигающий макси-

160