книги из ГПНТБ / Хрупкие разрушения сварных конструкций

образцов. При постоянных температуре испытания и скорости нагружения практически для каждого материала нетрудно уста­ новить переходную толщину образца, при которой вид разру­ шения изменяется от сдвига под углом 45° к хрупкому отрыву под углом 90°.

Значения вязкости разрушения, определенные для случая излома от сдвига, значительно больше, чем для случая отрыва под углом 90° к плоскости образца (и приложенной нагрузке). Для алюминиевого сплава марки 7075-Т6, испытанного в виде пластин толщиной от 0,64 до 9,5 мм, Ирвин [11] обнаружил, что К\с увеличивается вдвое при уменьшении толщины от 9,5 до

Рис. 8. Влияние пластической деформации перед разру­ шением на внешний вид изломов: X — данные NWP

и NWL; О — данные NRL

3,2 мм; при дальнейшем уменьшении толщины пластин Кіс изменяется слабо. Интересно, что переходная толщина пластины в этих испытаниях приблизительно равна размеру пластической зоны в вершине трещины при разрушении (рассчитанному без учета увеличения предела текучести при трехмерном напря­ женном состоянии). В весьма большом количестве данных [11], приведенных на рис. 8, площади вязких участков излома или «губ среза», ориентированных под углом 45°, нанесены на гра­ фик в зависимости от отношения величины пластической зоны к толщине пластины из высокопрочной стали различных марок и титановых сплавов толщиной до 5,6 мм, испытанных при ком­ натной температуре. Можно видеть, что разрушения пластин толщиной, меньшей расчетного радиуса пластической зоны, становятся практически полностью вязкими (с ориентацией изломов под углом 45°). Указанная общая тенденция также находит подтверждение и для малоуглеродистой стали, но при этом существенное влияние оказывают два фактора: во-первых, более высокая чувствительность к скорости деформирования, которая приводит к уменьшению доли губ среза в изломе при

221

ускоренном разрушении, и, во-вторых, возможность возникно­ вения сложных изломов, когда участки среза и отрыва трудно­ различимы.

Разрушения от плоских трещин часто начинаются отрывом

изатем продолжаются в виде губ среза. Крафт [23] обратил вни­ мание на эту особенность изломов, и ему удалось путем точного измерения усилий и податливости образцов в процессе развития «смешанной трещины» установить значения вязкости разруше­ ния при отрыве (в условиях плоской деформации) и срезе (ко­ гда напряженное состояние близко к плоскому).

Следует отметить, что разрушение отрывом близко соответ­ ствует условиям плоской деформации, так что соответствующие значения вязкости разрушения определяются достаточно точно

иих можно выразить в виде Gic или Кіс■ Аналогично можно определить вязкость разрушения при сдвиге, но при этом возможно, что величина вязкости разрушения будет уменьшать­ ся с уменьшением толщины пластин при постоянстве всех дру­ гих параметров. Эта особенность разрушений сдвигового ха­ рактера подтверждается для случая тонких фольг, вязкость

разрушения которых значительно меньше, чем у толстых пластин.

Н ек о то р ы е за м е ч а н и я о х а р а к т е р е р а зр у ш ен и я

Механика разрушения является феноменологической тео­ рией, из которой не следует, что вязкость разрушения пред­ ставляет физическую константу материала. Основные соотно­ шения этой теории устанавливают с достаточной точностью влияние размеров трещин на условия разрушения материалов, но не позволяют объяснить или прогнозировать характер разру­ шения (вязкий или хрупкий) данного образцаили детали. Тем не менее можно считать установленным, что образование новых поверхностей (развитие трещин) в материале путем сдвига или отрыва в значительной степени связано с первоначальным распределением малых включений, несплошностей или других

'дефектов в материале. На микрофотографиях трещин в хрупких пластмассах и линиях скольжения в стали и в большинстве других металлов можно видеть эти дефекты, окруженные пара­ болическими линиями интерференции главного и локальных фронтов разрушения. По-видимому, наличие дефектов (не­ сплошностей) приводит к уменьшению энергии, необходимой для образования новых поверхностей, и, следовательно, вязко­ сти разрушения реальных материалов.

Исходные дефекты, имеющиеся во всех технических материалах, могут быть одной из причин масштабного эффекта, поскольку известно, что чем больше деформируемый объем, тем

больше вероятность существования в этом объеме крупного і-дефекта. Этот аспект влияния наиболее опасного дефекта («сла-

3222

бого звена») был разработан в статистической форме Вейбуллом [24], который показал, что для любого реального материала масштабный эффект является неизбежным. Это положение’ подтверждает основной принцип разработки конструкционных материалов: размер и количество микроскопических дефектов в структуре материала должны быть минимальны и они должны быть по возможности равномерно распределены по объему.

Склонность материала разрушаться отрывом или сдвигом при различных условиях можно объяснить, если учесть, что при разрушении отрывом в вершине трещины достигается доста­ точно высокое растягивающее напряжение, как это было пока­ зано для стали Хендриксоном, Вудом и Кларком [25]. Требуемые для хрупкого отрыва высокие напряжения обычно возникают вследствие трехмерного напряженного состояния, и поэтому разрушение отрывом следует ожидать в тех случаях, когда имеются условия, стесняющие деформацию и тем самым приво­ дящие к повышению степени объемности (или жесткости) на­ пряженного состояния. Постоянное повышение жесткости на­ пряженного состояния имеет место, например, при увеличении толщины пластин с трещинами при растяжении.

Р А С П Р О С Т Р А Н Е Н И Е И О С Т А Н О В К А Т Р Е Щ И Н В М А Л О У Г Л Е Р О Д И С Т О Й С Т А Л И

Во многих случаях нет необходимости применять методы механики разрушения для сравнительной оценки материалов (например, испытаний на ударную вязкость образцов с надре­ зом). С этой точки зрения полезно обсудить явление остановки трещин и некоторые методики испытаний материалов, исполь-' зующих это явление. При проведении экспериментов и при эксплуатационных разрушениях часто замечали, что после на­ чала хрупкого разрушения в малоуглеродистой стали трещина распространяется в малонапряженные участки, где пластиче­ ская деформация отсутствует или весьма мала, и останавли­ вается. Робертсон [26] предложил специальный метод испытаний’ на остановку трещины для получения зависимости напряже­ ние— температура остановки трещины, развитием которого являются испытания по ESS°(SOD) и испытания на двойное растяжение, описанные в гл. 1. В этих испытаниях большая часть образца при нагружении остается в упругом состоянии и для анализа напряжений можно использовать методы теории упругости. Аналогичные условия создаются при испытании на растяжение широких сварных пластин с надрезом, когда внеш­ нее приложенное напряжение суммируется с остаточными рас­ тягивающими напряжениями вблизи надреза, инициирующего трещину, как это описано в гл. 2.

Наблюдаемые скорости распространения трещин в малоугле­ родистой стали составляют от 1830 до 30 м/с (стадии ускорения

223 «

трещин весьма трудно исследовать экспериментально). Были проведены исследования поверхностной деформации во время распространения трещины (см. гл. 1) и соответствующие изме­ рения скорости. Довольно полная картина распределения деформаций при распространении трещины в хрупком пластике может быть получена при использовании методов фотоупруго­ сти [27]. Найдено, что даже при скоростях, приближающихся к предельным, в области перед фронтом трещины с линейным размером, равным двум или трем длинам трещины, распределе­ ние деформаций остается практически таким же, как и в случае статических условий нагружения. Было предпринято много попыток рассчитать распределение динамических напряжений при распространении трещины в чисто упругой среде. Эти рас­ четы показывают, что теоретическая предельная скорость рас­ пространения трещины равна скорости распространения упругой волны в материале и что вязкость разрушения влияет на ско­ рость только на ранних стадиях ускорения трещины. Решение Иоффе [28] для развития плоской трещины постоянной длины и решения Акиты и Икеды [29] и Броберга [30] для распростра­ нения трещин существенно отличаются тем, что теоретические распределения напряжений перед фронтом трещины по-разному зависят от скорости ее развития. Однако все упомянутые реше­ ния показывают, что распределение динамических напряжений существенно отличается от случая статического нагружения только при очень высоких скоростях (близких к предельной скорости) распространения трещины.

Таким образом, можно считать установленным, что при испытаниях на распространение и остановку трещины анализ напряженного состояния требует учета относительно слабых динамических эффектов. Однако наблюдаемые изменения структуры изломов в зависимости от скорости развития трещин объяснить гораздо труднее. Повышение температуры способ­ ствует увеличению доли губ среза в изломе при развитии тре­ щины в малоуглеродистой стали. При испытании на жесткой машине губа среза может быть непрерывной; в других условиях нагружения могут наблюдаться участки без губ среза, так что излом носит прерывистый характер. Если начало развития трещины облегчено, как, например, в материале с металлурги­ ческими дефектами, и трещина останавливается, участки раз­ рушения отрывом на поверхности излома становятся более глад­ кими. Наоборот, если трещина инициируется и развивается при высоком уровне приложенных напряжений, поверхность излома становится грубой и характеризуется местным или общим шев­ ронным строением. Хотя гладкие изломы часто связывают с низкими скоростями распространения трещин, обратное утвер­ ждение не является безусловно правильным. Так, например, грубозернистые изломы наблюдали при таких низких скоростях, как 300—900 м/с. Строение излома, по-видимому, связано с раз-

224

мерой пластической зоны перед фронтом трещины, а, следова­ тельно, с напряжением распространения трещины (как показа­ но в гл. 2) и, таким образом, отображает протяженность распо­ ложенной перед главной трещиной зоны, в которой могут образовываться собственные микротрещины. Крюссар с сотруд­ никами [31] наблюдали это явление экспериментально и ввели термин «полухрупкий» для обозначения грубых кристалличе­ ских изломов.

Хотя эти морфологические характеристики трещин и услож­ няют исследование их распространения, они весьма полезны при изучении причин аварий. Установлено, например, что по на­ правлению шевронного рисунка в изломе можно установить очаги начала разрушения. Нередко таких очагов бывает не­ сколько, и, отыскав наиболее гладкий участок излома, можно определить первичный источник разрушения. Этот эффект так четко выражен, что местное огрубление структуры излома почти всегда указывает на прохождение трещины через зону остаточ­ ных растягивающих напряжений. Некоторые другие особенности изломов подробно рассматриваются при описании испытаний на остановку трещин в гл. 7.

Изотермические испытания на остановку трещины

Условия для остановки трещины в однородном материале при постоянной температуре создаются совместным действием расклинивающих сил [уравнение (9)] и общего растягивающего напряжения. Так как по мере распространения трещины раскли­ нивающие силы уменьшаются, а растягивающее напряжение в сечении нетто возрастает, то результирующее значение К при некоторой длине трещины достигает минимальной величины

Кпйп = 2 V~Ph (или 2 У 2Р'о' для расклинивающей силы Р' в случае краевой трещины). Таким образом, остановка трещины (или ее сквозное распространение) является «критическим собы­ тием», регистрируемым в соответствующих испытаниях. Мгно­ венное значение расклинивающей силы определить сложнее, чем приложенное (номинальное) растягивающее напряжение, и это затрудняет интерпретацию результатов таких испытаний с по­ зиций механики разрушения. Условия приложения инициирую­ щих расклинивающих сил тщательно контролируются и резуль­ таты опытов получают в виде предельного внешнего растягиваю­ щего напряжения, приводящего к остановке трещины при опре­ деленной температуре образца. В случае испытания на двойное растяжение начальную расклинивающую силу можно измерить, но величина этой силы при инициировании и распространении трещины изменяется весьма быстро и зависит от свойств мате­ риала, в частности, предела текучести, как и в испытаниях по Робертсону, и, таким образом, результаты испытаний на двой-51

ное растяжение также интерпретируются в виде зависимости предельного внешнего напряжения развития (или остановки) трещины от температуры испытаний. После того, как впервые была разработана методика испытаний по «Esso», было обнару­ жено изменение предельного напряжения распространения трещины в зависимости от энергии инициирующего удара кли­ ном, что, вероятно, связано с изменением расклинивающего усилия при инициировании трещины. Однако удар клина также вызывает изгиб образцов, который впоследствии удалось устра­ нить тем, что с противоположной стороны к образцу подставля­ ли массивную наковальню. При этом предельное напряжение распространения трещины в гораздо меньшей степени зависело от скорости (энергии) клина при инициирующем ударе.

деление температуры относительно ожидаемой прямолинейной траектории трещины с увеличением температуры по . мере удаления от зоны инициирования трещины. При этом, во-пер­ вых, температурное поле не должно приводить к возникновению дополнительных термических напряжений. Во-вторых, посколь­ ку зона инициирования трещины может находиться при весьма низкой температуре, начальное расклинивающее усилие (и со­ здаваемое им напряжение) быстро релаксирует. В-третьих, нет необходимости в том, чтобы коэффициент интенсивности напря­ жений уменьшался по мере распространения трещины, посколь­ ку остановка трещины будет происходить из-за увеличения вязкости разрушения с повышением температуры. В-четвертых, следует иметь в виду, что параболический фронт остановившей­ ся трещины при испытаниях в условиях градиента температуры вносит некоторую неопределенность в определение длины трещины и температуры ее остановки.

Анализ условий возникновения термических напряжений

•позволяет определить и выбрать такие методы создания темпе­ ратурного градиента, которые обеспечивают практически пол­

при испытании по «Esso» длинных образцов путем применения одновременно локального охлаждения надреза жидким азотом и локального нагрева противоположной стороны образцов горя­ чей водой. В этих опытах было показано, что влияние началь­ ного удара клином должно стать пренебрежимо малым на рас­ стоянии около 100 мм от надреза, и при проведении опытов остановки трещины имели место как раз вблизи этой зоны. Для получения величин вязкости разрушения авторы применяли уравнение (10). В него необходимо было ввести поправку, зави-

226

сящую от скорости распространения трещины, которую изме­ ряли при проведении экспериментов. Экспериментальные результаты [32] для стали различных марок и толщин (по вязкости разрушения), скорректированные указанным спосо­ бом, дали значения вязкости разрушения того же порядка, что и найденные другими способами. Интересно также, что резуль­ таты, выраженные в виде зависимостей приложенного растя­ гивающего напряжения от температуры остановки трещины, хорошо согласуются с данными Иошики и Каназава [33] для стали тех же марок, полученными при испытаниях на двойное растяжение в условиях температурного градиента.

сн а д р е з а м и

Вэтих испытаниях, описанных в гл. 2, остановки трещин происходили в изотермических условиях, причем в образцах после сварки имелось поле остаточных напряжений, так как образцы не подвергались механической или термической обра­ ботке для снятия напряжений. Условия для остановки трещи­ ны, очевидно, возникают вследствие особенностей распределе­ ния остаточных напряжений, понижающихся вдоль ее траек­

тории от сварного шва к краям образца.

Исследование условий распространения трещины только за счет остаточных напряжений было предпринято Уэллсом [34] для сваренной встык пластины толщиной 25 мм. При этом использовалась экспериментальная методика, включающая определение остаточных напряжений на одном типичном образ­ це, а также измерение раскрытия трещины при ее распростра­ нении на другом идентичном образце. Освобождающуюся при этом энергию определяли по способу, приводящему к уравне­ нию (2), и для получения движущей силы g дифференцирова­ ли это выражение по длине трещины. Найдено, что при раскры­ тии коротких надрезов образуются трещины эллиптического профиля (так же как и для однородного поля внешних напря­ жений), причем раскрытие достигает максимума в области сварного шва, как если бы этот участок был концентратором расклинивающего усилия. Движущую силу трещины, разви­ вающуюся в поле остаточных напряжений, можно рассчитать также по способу Масубучи [35].

Растягивающая компонента остаточного напряжения в пла­ стине вызывает такое же раскрытие надреза (трещины), расположенного перпендикулярно направлению этого напря­ жения, как равные и противоположно направленные раскли­ нивающие усилия, приложенные на кромках надреза в такой же пластине, свободной от остаточных напряжений. Если предположить, что распределение остаточных напряжений сим­

метрично относительно продольной оси пластины, то коэффи­ циент интенсивности напряжений К,-, обусловленный только остаточными напряжениями, можно определить, используя уравнение (9):

(16)

где а — половина длины трещины и аг— растягивающее оста­ точное напряжение на расстоянии х от центра трещины.

Ктс,кгс/нп1/г

5

рис. 9. Соответствие весьма хорошее, если принять во внима­ ние возможные погрешности расчета вследствие пластического деформирования металла во время проведения опыта. Видно, что величина КТ вначале увеличивается и затем падает с увели­ чением длины трещины, достигая максимума при половине длины трещины, приблизительно соответствующей общей ши­ рине зоны остаточных напряжений растяжения.

При наложении величин К,- и К а для выбранного уровня на­ пряжений от внешней нагрузки 7 кгс/мм2 распределение резуль­ тирующего значения К сравнительно равномерное, что свиде­ тельствует о невозможности остановки трещины при указанных или больших приложенных напряжениях.

Условия остановки трещины в 35 образцах толщиной 27—75

228

ммс остаточными напряжениями из малоуглеродистой стали ше­ сти марок приведены в табл. 1 [36]. Распределение остаточных напряжений было определено только в пластинах толщиной 25

ммиз стали марки F, а соответствующие значения Ктдля стали других марок были увеличены согласно его пределу текучести. Результирующие данные определения вязкости разрушения име­

ют разброс и малочувствительны к температурным изменениям в сравнительно узко исследованном интервале температур. Бо­ лее того, различия между марками стали и толщинами образ­ цов по вязкости разрушения оказались несущественными. При этом размеры пластической зоны считались существенно мень­ ше толщины пластины, что позволило пренебречь поправкой на длину трещины (пластической зоны) при определении коэффи­ циентов интенсивности напряжений. Полученные значения вяз­ кости разрушения в основном соответствуют условиям плоской деформации, и поэтому их можно сравнивать с результатами из­ мерений Крафта и Салливана [22] по инициированию трещины в образцах с кольцевым надрезом при растяжении.

Образцы такого же типа [36], разрушавшиеся при более вы­ соких температурах, неизменно обладали более высокой проч­ ностью, достигавшей предела текучести и выше, при этом оста­ новок трещин не наблюдалось, но в узком температурном интер­ вале можно отметить двойственный характер разрушения, со­ ответствующий низкой или высокой прочности, что отмечалось Крюссаром. Важно обратить внимание на то, что поведение об­ разцов при испытаниях по Уэллсу [36] и Робертсону, с одной сто­ роны, и «Esso» и на двойное растяжение, с другой стороны, су­ щественно различается по характеру температурного перехода. В первых двух случаях этот переход резкий, во-вторых случа­ ях — более плавный. По Уэллсу и Робертсону используются же­ сткие испытательные машины и короткие образцы, тогда как об­ разцы «Esso» и для испытаний на двойное растяжение сравни­ тельно более длинные и податливые. В последнем случае вслед­ ствие особенностей распределения напряжений во время рас­ пространения трещины (см. рис. 9) в изломах образцов губы сре­ за занимают гораздо большую площадь, чем в образцах по Уэл­ лсу и Робертсону. "

Эти переходные эффекты являются, по-видимому, следствием изменения напряженно-деформированного состояния в вершине трещины от плоской деформации к различным видам плоского напряженного состояния, имеющего место при одном и том же отношении размера пластической зоны перед фронтом трещины к толщине пластины, как это показано для случая высокопроч­ ных алюминиевых сплавов и стали, исследованных Ирвином и Крафтом [11]. Чаще всего заметный скачок Кіс наблюдается при изменении температуры, однако его легко получить и при изме­ нении толщины, как, например, установлено в японских испы­ таниях на двойное растяжение образцов из низколегированной

229

1. Расчетные значения коэффицентов интенсивности напряжения при остановке трещины в сварных и надрезанных широких пластинах

230