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

скорость роста трещин связана с ЛЛ' н lie зависит от геометрической конфигурации образца, указанные дан­ ные могут быть также использованы для расчета изме­ нения длины трещин с увеличением числа циклов и при других условиях нагружения. Уровень интенсивности на­ пряжений является достаточно удобной базой для про­ ведения различных исследований и обобщения данных, получаемых исследователями на образцах различной формы и размера с трещинами, расположенными в раз­ личных местах.

Для объяснения развития трещин под действием цик­ лических нагрузок Г. П. Черепанов [105, 106] привлек упруго-пластическую модель тела и рассмотрел тонкую структуру конца трещины. Применение общих соображе­ ний анализа размерностей и энергетической концепции Ирвина — Орована, обобщенной на случай нестационар­ ного развития трещины, позволило ему предложить сле­ дующую зависимость для скорости роста усталостных трещин

Величина ß имеет размерность длины и характери­ зует прирост длины трещины при циклическом нагруже-

тальных данных.

Теоретическое решение, полученное Г. П. Черепано­ вым, получило подтверждение для широкого диапазона чисел циклов до разрушения. Зависимость между скоро­ стью роста трещин и фактором интенсивности напряже­

71

Формула Париса получается непосредственно из вы­ ражения, предложенного Г. П. Черепановым, для тех случаев, когда число циклов сравнительно велико (при Amax/Äc=^0,5). Именно эти случаи в основном рассмат­ риваются в данной книге. Аналитические расчеты скоро­ сти роста усталостных трещин даны в [71, 90—93].

Многочисленные случаи внезапных разрушений кон­ струкций, подготовленных постепенным усталостным циклом развития трещины пли без такой трещины, по­ служили толчком к проведению теоретических работ в области механики разрушения и выбору критериев, позволяющих дать количественную оценку склонности металлов к хрупким разрушениям.

В качестве критерия склонности материала к хрупко­ му разрушению Ирвин предложил использовать пара­ метры К і с и Gіс, характеризующие сопротивление рас­ пространению трещин в условиях плоской деформации. Эти величины служат сравнительными характеристика­ ми, оценивающими сопротивление материала развитию в нем трещин. Они могут быть также использованы для соответствующих расчетов с целью установления крити­ ческих нагрузок и длин трещин.

Величина К \ с или вязкость разрушения при объем­ ном напряженном состоянии п плоской деформации пред­ ставляет собой такую интенсивность напряжений в вер­

сущности виды нарушения сплошности материала, фак­ тически связаны с одной и той же характеристикой, а именно с интенсивностью напряжений в вершине тре­ щины (с той лишь разницей, что в первом случае при­ ходится оперировать текущими значениями, а во вто­ ром— предельным или критическим значением той же величины).

Относительно роли характеристик К \ с и бс и возмож­ ности оценки материалов с их помощью Б. А. Дроздовский и Е. М. Морозов [35] указывают, что так же, как ав, SK и б, г|з представляют соответственно оценку проч­ ности и пластичности гладкого образца, так К с , К \ с и бс дают оценку прочности и пластичности особых точек образца с трещиной. В первом случае имеют дело с ха-

72

с общей прочностью материала, а с прочностью локаль­

ность этого параметра. В работе [36] показано, что ко­ эффициент интенсивности напряжений находится в тес­

73

равнены к ней, так как дальнейшее увеличение остроты надреза не влияет на УѴТ. При больших значениях глу­ бины надреза ІѴТ коррелирует с отношением А/С р 1 / 2 (рис.28).

Аналогичные результаты получены и при определе­ нии вязкости разрушения — установлено существование критического значения радиуса надреза, снижение кото­ рого не ведет к дальнейшему охрупчиванию (для того, чтобы произошло разрушение необходимо наличие ми­ нимального напряженного объема). Предельно острым

74

будет надрез, имеющий такую длину и такой радиус ос­ нования, изменение которых ne приводит к уменьшению

Кратко рассмотрим методы определения К и К \ с -

3.ВЫБОР ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦОВ

Взависимости от целей исследования для получения сравнительных данных о1 скорости роста трещин и дли­ тельности периода живучести могут быть использованы образцы различной формы и размера, а также детали

75

пли конструкции в натуральную величину или их моде­ ли. В их число входят образцы для испытания на уста­ лость по ГОСТ 2860—65; иестандартизованные круглые, листовые, плоские и прямоугольные образцы — гладкие и с надрезами; специальные образцы с большим коли­

Рис. 30. Развитие пластиче­ ской зоны у надреза в за ­

/ — при статической нагруз­ ке; 2 — п р и циклической на­ грузке

U0 вО /го 160

SN J

63 63

200

л

Y*

Ш

76

венного применения п особенности подготовки для изу­ чения скорости роста усталостных трещин.

Выше отмечались большие преимущества, которые обеспечивает анализ с позиции механики разрушения. Пользоваться представлениями линейной механики раз­ рушения и, в частности, характеристикой вязкости раз­ рушения, можно лишь в том случае, если в вершине надреза в образце будет плоское деформированное со­ стояние при возможно минимальной величине зоны пла­ стической деформации. Это условие накладывает опре­ деленные ограничения на выбор формы и размеров об­ разцов. В частности, установлено, что для плоских образцов критическим размером является толщина; ее ве­ личина должна превышать некоторую критическую, зави­ сящую от условий нагружения и предела текучести ма­

зоны в надрезе при статической нагрузке изгибом, ниж­

Пунктирной линией ограничены условия, при которых толщина образцов достаточна для того, чтобы обеспе­ чить возникновение в надрезе плоского напряженного состояния.

П л о с к и е о б р а з ц ы с ц е н т р а л ь н ы м о т в е р ­ с т и е м и с начальными «стартовыми» надрезами в стен­ ках (рис. 31, а) удобны для тонколистового материала. Рост усталостных трещин фиксируется визуально, мето­ дом электрического потенциала или другими способами. Для обеспечения равномерности напряженного состоя­ ния по рабочему сечению образцов и ограничения пла­

стояния между осями отверстий для пальцев, передаю­ щих нагрузку к ширине образцаL't w>6.

Коэффициент интенсивности напряжений рассчиты­ вают по формуле

77

стия. Недостатком таких образцов является то, что по

К,кГ/мм3'1

120

е

W

га

/50 250 500 7000 2000 Скорость роста трещи//, мк/і/ци/гл

78

мере роста трещины напряженное состояние в ее верши­ не непрерывно изменяется. Поэтому требуется бесступен­ чатое или многоступенчатое регулирование нагрузки в

ровки надреза (45, 60 и 90° и_|_-образный надрез) на ско­ рость роста трещин исследовано [39] на образцах из листового алюминиевого сплава. Для всех образцов бы­ ли рассчитаны коэффициенты интенсивности напряже­ ний в направлении раскрытия (Кі) и сдвига (/(г) стенок трещин.

Уже при небольшом значении Кг скорость роста уве­ личивается (табл. 3). Это увеличение особенно заметно в начальный период роста и постепенно уменьшается по мере продвижения трещины, когда ее концы поворачи­ ваются, стремясь расположиться в плоскости действия максимальных растягивающих напряжений (выйти на одну поперечную линию), и значения К\ становятся мно­ го больше Кг- Поэтому общее увеличение скорости на

79

П л о с к и е л и с т о в ы е о б р а з ц ы с о д н о с т о -

сцентральным отверстием. Отношение глубины надреза

кширине образца должно быть ограничено //ш^0,15 . При увеличении этого отношения уменьшается коэффи­

циент интенсивности напряжений (на 30% при L/w — 3 и L/w = 3). Для этого случая

to"2 '

рой вершиной (wedge opening loading — WOL), исполь­ зуются при исследовании материала большой толщины. Достоинство их заключается в том, что они имеют повы­ шенную жесткость и при большой нагрузке не возникает

80