книги из ГПНТБ / Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла

Для плоского образца с одним боковым надрезом при

01

Для плоского образца с боковым надрезом при чи­

заключается в том, что при одном или нескольких уров­ нях напряжений испытывают на усталость плоские или цилиндрические образцы (гладкие или с надрезом) до разрушения и затем на изломе определяют длину (при плоском образце со сквозной щелью) или глубину (при цилиндрическом образце) критической усталостной тре­ щины.

Для цилиндрических образцов при испытании на из­ гиб с вращением

где о — действующее максимальное брутто-напряжение цикла;

/ к — критическая длина трещины.

При циклическом методе определения К\с расчеты выполняются по приведенным выше формулам для опре^ деления Кю методом статического растяжения или изги­ ба. При этом должны выполняться все требования; предъявляемые к геометрии образца. На величину Кш

92

определяемую циклическим методом, форма образцов и амплитуда нагружения не оказывают влияния, если

рушения и не требует создания в образцах острых над­

(в особенности для вязких материалов), влияние на вяз­ кость разрушения условий получения трещины (предель­ но острого надреза) в образце и трудность фиксирова­ ния момента достижения критической интенсивности на­ пряжений в образце. При усталости трещина возникает естественным путем и распространяется в условиях плос­ кой деформации. Метод становится более точным при

ИССЛЕДОВАНИЯ СКОРОСТИ РОСТА ТРЕЩИН

Для характеристики скорости роста трещин и живу­ чести металла могут быть использованы следующие кри­ терии:

83

мости от коэффициента интенсивности напряжений К , от размаха коэффициента интенсивности напряжений &К=Ктах—Ктіп, а также в зависимости от соотношения между фактическим (действующим) и пороговым значе­ нием коэффициента интенсивности напряжений, ниже которого трещина не развивается ( К ѵ ) ;

взависимости от числа циклов до полного разрушения;

8)критический размер трещин /к ] ) ;

9)фактическая длина трещины / после определенно­ го числа циклов или времени работы,, или эквивалентная

длина трещины /э , использование которой позволяет учи­ тывать ширину образца, w.

12)различные функции повреждения и критерии вы­ живания;

13)изменение момента инерции оставшейся неразру­ шенной части сечения;

14)остаточная прочность (статическая, усталостная, хрупкая) в зависимости от размера усталостной трещи­ ны и условий испытаний.

Поясним некоторые из перечисленных критериев.

1. При проведении усталостных испытаний чаще все­ го фиксируют два параметра: момент появления трещи­ ны (размер трещины зависит от принятой методики фик­ сации) и момент окончательного разрушения без фикса­ ции промежуточных размеров трещин. Однако помимо установления длительности периода возникновения тре­ щины и длительности периода живучести, что уже само по себе представляет ценную информацию, полученный

данные попутно позволяют решить еще две задачи;

94

1) по ограниченному числу образцов установить их пре­ дел выносливости и 2) установить базу, необходимую и достаточную для проведения испытаний с определени­ ем предела выносливости. И то, и другое позволяет рез­ ко сократить длительность испытания. В большинстве случаев, если на диаграмме напряжение — число циклов соединить между собой точки появления трещим и точки окончательного разрушения, полученные при испытании трех (или даже двух) образцов и продолжить эти пря­ мые, то их пересечение, как правило, произойдет при на­ пряжении, соответствующем пределу выносливости

вточке перелома кривой выносливости.

2.При фиксации промежуточных значений размеров трещин на графике длина трещины — число циклов по­ лучают семейство кривых, соответствующих различным уровням напряжений. Недостаток указанного способа выражения результатов испытаний заключается в том, что ои не дает обобщенного представления о процессе роста трещин. Но в то же время он показателен, в част­ ности, при наличии круговых трещин, охватывающих весь периметр образца, но не вызывающих разрушения, пока трещина не разовьется вглубь на значительную часть сечения.

На,рис. 38, а показано семейство кривых роста тре­ щин, характеризующих зависимость длины трещин в об­ разцах- Сг—Ni—Mo стали, обработанных на бейнит, от уровня действующих напряжений и числа нагрузки.

Использование этих кривых в таком виде для харак­ теристики влияния на скорость роста различных факто­ ров и для сравнения экспериментальных данных пред­ ставляет значительные трудности.

3.Те же данные, но обработанные и представленные

вдвойных полулогарифмических координатах в зависи­ мости от размаха интенсивности напряжения dt/dN — AK (рис. 38,6) выявляют наличие линейной зависимости между указанными параметрами, причем все экспери­ ментальные данные, полученные при различных услови­ ях нагружения и представленные в виде семейства кри­ вых на предыдущем рисунке, обобщаются одной полосой.

данной текущей ее длине определяется по кривой длина трещины — число циклов,, а соответствующее значение

95

щин. Благодаря такому подходу представляется возмож­ ным использовать данные о скорости роста трещин, полученные при широком варьировании размеров на­ чальных трещин, напряжений и параметров нагрузки.

Большое преимущество представления скорости роста трещин dl(dN в функции à.K заключаются в возможности выразить скорость роста трещин в обобщенном виде.

96

Анализ скорости роста трещин, базирующийся на поня­ тиях об интенсивности приложенных напряжений, позво­ ляет осуществить переход от лабораторных образцов к реальным конструкциям на основе учета уровня напря­ жений и объема деформированной зоны.

Парис показал, что в общем виде скорость роста тре­

на рис. 38,6. Для стали п находится в пределах от 2 до 6.

до Ирвина формул связывали скорость развития трещи­ ны с номинальным напряжением и длиной трещины и были пригодны лишь для частных случаев. Более обос­ новано определение корреляции между скоростью роста трещин и критерием Ирвина К , который характеризует

4. Большого внимания заслуживает представление ре­ зультатов испытаний в виде диаграммы, по оси ординат которой отложено отношение начальной интенсивности напряжений ' К і , вызываемое исходной трещиной, к кри­ тической величине интенсивности напряжений К \ с , а по оси абсцисс число циклов нагружения, потребовавшееся для полного разрушения образца (KJKic)—NK (рис. 39). Такая диаграмма позволяет непосредственно судить о том, насколько приближаются условия работы к усло­ виям быстрого катастрофического разрушения. При пре­ дельном или близком к нему значении К і с будут созда­ ваться условия для нестабильного критического роста трещины и мгновенного разрушения. По мере уменьше­ ния отношения К\/К\с долговечность будет возрастать.

5. В одной из работ предложено учитывать не размах

К, а разность между фактическим (действующим) К и пороговым значением коэффициента интенсивности на­ пряжений Кр, ниже которого трещина не развивается:

dldN =--А{К* — Кр),

где А —константа материала.

На рис. 40 представлен график скорости роста трещи­ ны в малоуглеродистой стали, построенный по указанной зависимости.

6. Весьма важно знать параметр, по которому можно определить минимальный уровень напряжении, вызыва­

материалов, имеющих по два Небольших надреза на

щин, устанавливается таким же образом, как и предел выносливости (рис. 41).

08

Величина а 3 1 может быть использована в качестве критерия роста трещин при условии, что / мало по срав­ нению с половиной ширины образца до/2 и распределе­ ние напряжений вокруг вершины трещины практически не зависит от отношения //0,5ш.

Использование критерия а3 / допустимо при //0,5ш-< <0,3 (это обеспечи ВаеТ Umax/От

« 1, ГДе Umax — МЭКсимальное напряжение в вершине щели, а а т а х о о — с о о т ­ ветствующее расчетное значение максимального упруго­ го напряжения при трещине такой же длины, но в образ­ це неопределенно большой ширины).

Из уравнения о 3 1 = А можно установить величину /р поверхностной трещины или другого поверхностного де­ фекта, который еще не определяет опасности снижения усталостной прочности при данном уровне поминальных напряжений:

Поскольку в эксплуатации детали, помимо цикличе­ ских нагрузок, испытывают также статическое растяже­ ние (или сжатие), важно знать, как изменяется констан­ та Л с увеличением среднего напряжения, когда цикл характеризуется значениями a m à z o a - Испытания плоских образцов с двумя боковыми надрезами при среднем рас­

янным при условии, что приложенные циклические на­

в мягкой стали:

dim = Q,Q9-IQ-* all,

которое предполагает, что трещина не может проходить за цикл меньше, чем одно межплоскостное расстояние кристаллической решетки.

МП