книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

расстояние о'бъектива И-51). Фотографируемое поле (32 мм) на пленке уменьшалось до 8 мм. Расположение осветителей и блоксхема их включения даны на рис. 105

Для того чтобы верхняя поверхность испытуемого образца во время удара была открытой к маятниковому копру, на кото­ ром проводилось испытание, взамен стандартного был изготов­ лен боек с вынесенным вперед ножом. Испытания проводили в следующей последовательности. Открывался затвор кинока­ меры и освобождался боек. Боек замыкал синхронизирующий контакт и бил по образцу. При закорачивании контакта катушка

Рис. 105. Схема синхронизации и киносъемки при разрушении стандартного образца на копре:

/ — образец; 2 — боек; 3 — синхронизирующий контакт; 4 — трансформатор для зарядки конденсатора; 5 — осветитель; 6 — кинокамера; 7 — зеркало

Румкорфа выдавала высоковольтный импульс, запускавший си­ стему освещения. Затвор кинокамеры оставался открытым все время, пока образец не разрушался. Повторного экспонирования пленки, однако, не происходило, так как длительность вспышки осветителей (500 мксек) при выбранных режимах съемки была меньше времени одного оборота зеркала кинокамеры.

При такой съемке удавалось снимать Vs часть иопытанных образцов.

Оказалось, что работа, затраченная на собственно разруше­ ние, т. е. на продвижение трещины, составляет примерно 40— 50% от полной работы разрушения. При этом скорость распро­ странения трещины составляла 4—8 м/сек.

262

6. КИНЕТИКА И ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ СКОРОСТЯХ НАГРУЖЕНИЯ ДО 300 м/сек 1

Стандартный образец разрушали бойком с затупленным ост­ рием ножа на специальном ударно-взрывном копре [579] (рис. 106). Боек выстреливался из ствола патроном восемнадца­ того калибра, заряженным бездымным порохом. Удар по дето­ натору патрона наносился взрывом электродетонатора через стержень.

Высоковольтный управляющий импульс СФР-1 выдавался с большим опережением и разряжал мощный конденсатор через

Рис. 106. Устройство для ударно-взрывного разрушения надрезанного образца:

/ — станина; 2 — электродетонатор; 3 — стержень детонатора; 4 — патрон 18-го ка­ либра; 5 — ствол; 6 — боек; 7 — войлочное кольцо; 8 — образец; 9 — опора

электродетонатор. В результате взрыва электродетонатора сра­ батывал основной пороховой заряд, выбрасывающий боек.

Для предотвращения прорыва газов между стволом и бой­ ком к полю съемки на последний надевали войлочное кольцо диаметром 50—60 мм.

Образцы стандартных размеров Менаже изготавливали из сталей в состоянии поставки с содержанием углерода 0,21; 0,31; 0,48; 0,65 и 0,75%. Поверхность образцов, обращенную к кино­ камере, препарировали как металлографический шлиф до

1 Результаты работ, выполненных автором совместно с П. И. Кротенком, И. А. Куткиным, Л. Б: Зуевым, В. А. Зрайченко.

263

зеркального блеска, но не травили. Края образцов близ опор закрашивали белой краской.

В исходном состоянии до удара боек находился на расстоя­ нии нескольких миллиметров от образца. При выстреле он начи­ нал быстро двигаться. Покадровая обработка пленки позволила установить, что скорость бойка вначале колебалась в пределах 20—65 м/сек, а к моменту встречи с образцом составляла в раз­

Именно это обстоятельство и определяет переменную скорость бойка в первые мгновения движения.

На пленке в целом получается несколько кадров с изображе­ нием процесса разрушения. На рис. 107 приведены кинокадры процесса после того, как боек вошел в контакт с образцом. Ре­ зультаты обрабатывали по негативу. Момент удара определяли двумя путями: во-первых, оценкой расстояния между образцом и бойком (минимальный регистрируемый отрезок, определенный на инструментальном микроскопе по пленке, составлял 0,1— 0,2 мм); во-вторых, изучением угла макроскопического изгиба; этот угол измерялся с точностью 15—20' Благодаря сочетанию этих двух методов удалось определить момент удара, т. е. уста­ новить два кинокадра, между которыми он произошел.

Исследование показало следующее. Немедленно после удара бойка разрушаемый образец начинает изгибаться. При этом ни­ каких следов трещины не наблюдается. Этот процесс протекает у сталей с содержанием углерода, превышающим 0,48%, в тече­

пластическая деформация, подготавливающая последующее раз­ рушение.

После указанной временной задержки разрушения на об­ разце в районе надреза возникает светлая полоса, означающая появление локализованной деформации. Дополнительное иссле­ дование недоломанных образцов с остановившейся трещиной позволило установить, что трещина распространяется по этой полосе одновременно с ней и примерно с той же скоростью. Ло­ кализованная область деформации имеет вид канавки, регистри­ руемой лишь с одной стороны из-за оптических особенностей полузеркального метода съемки. Трещина располагается по пе­ риферии сосредоточенной деформации.

Область разрушения пересекает образец на 3—9 кадрах со

ксимальны в первые моменты после окончания задержки разру­ шения, а затем снижаются до 50—80 м/сек. Последнее установ­ лено при наиболее продолжительных процессах разрушения (9 кадров).

264

В случае сталей с высоким содержанием углерода даже при скорости съемки в 120 000 кадров в секунду не удалось опреде­ лить скорость разрушения, так как весь процесс занимал лишь один кадр. Это означает, что его скорость — не менее 900— 1000 м/сек. Для фиксирования подобных скоростей на стандарт­ ных образцах съемку следует вести с темпом не меньшим 240— 480 тысяч кадров в секунду. Это вызывает известные затрудне­

прежних частотах, но использовали надрезанные ударные об­ разцы больших размеров: 150X26X15 мм. Расстояние между опорами было доведено до ПО мм.

Характер разрушения остался тем же самым, но удалось до­ стичь и зафиксировать скорости трещин до 970 м/сек на стали Ст. 3. Разумеется, это увеличение связано прежде всего с боль­ шими размерами образца. Точная корреляция между скоростью трещин и размерами образцов может быть установлена из усло­ вий кинетического подобия [579, стр. 590].

Следует отметить, что в рассматриваемых опытах разруше­ ние проводилось при скорости бойка, в 5—10 раз превышавшей скорость падения маятника при стандартных испытаниях.

Ф.Ф. Витман [581, 628] в ряде работ подтвердил предсказанное

Н.Н. Давиденковым [582] охрупчивание металла по мере воз­ растания скорости нагружения. Оно, прежде всего, проявляется

вэкспоненциальном повышении температуры хрупкого пере­

хода. Поэтому, естественно, что при испытании на обычном копре скорости распространения трещин меньше, чем в этом случае.

Киносъемка позволила обнаружить существование пластиче­ ской деформации двух видов: предшествующей разрушению и сопутствующей ему, при этом первая менее сосредоточена, чем вторая. В период задержки разрушения угол изгиба увеличи­ вается медленнее, чем в дальнейшем, когда возникает сосредо­ точенная деформация и появляется трещина. Это означает, что локализованная зона, по которой растет трещина, испытывает интенсивную пластическую деформацию, причем несравненно большую, чем остальной массив образца. Это хорошо известно из практики.

Если предшествующая деформация прямо не связана с тре­ щиной, локализованная утяжка растет одновременно с ней.

Исследование показало, что излом стандартных образцов бойком со скоростью 25—40 м/сек предваряется задержкой раз­ рушения, связанной с распространением пластической волны. Возникновение и развитие трещины сопровождается локализо­ ванной деформацией. Скорость распространения разрушения

265

возрастает с увеличением содержания углерода и при 0,65.% превышает 900—1000 м/сек.

При использовании описанного метода ударных испытаний не мог быть получен основной критерий хрупкой прочности. Это объясняется прежде всего тем, что боек имел минимальный сво­ бодный ход и в процессе разрушения был под действием по­ роховых газов. Вместе с тем, если бы боек отрывался от ствола и имел стабильную скорость (для этого необходимо удалить ствол от образца), то кинематографированием до и после удара можно было бы зафиксировать эту скорость и тем самым опре­ делить работу бойка, расходуемую на разрушение ударного об­ разца. При такой постановке опыта метод можно было бы, ве­ роятно, использовать как контрольный. Отметим, кстати, что путем выстрела можно получать скорости разрушающего бойка в самых широких пределах — от нескольких до сотен метров

всекунду. Это легко регулировать, изменяя массу порохового заряда и бойка, а также свободный пробег последнего.

Сложность испытания и высокие требования к безопасности при его проведении ограничивают возможности массового его использования. Тем не менее для особо ответственных металлов

вотдельных случаях этот метод можно рекомендовать.

Для исследования кинетических и энергетических характе­ ристик разрушения металлов при скорости нагружения от 20 до 400 м/сек использовали разработанный В. М. Финкелем и П. И. Кротенком высокоскоростной копер.

Изменение скорости нагружения достигается изменением ве­ личины заряда, массы бойка и сменой стволов. Сменные дер­ жатели образцов позволяют испытывать стали толщиной до 10 мм, а также определять энергоемкость разрушения.

Процесс разрушения фиксируется высокоскоростной кино­ камерой СКС-1, позволяющей производить съемку со скоростью до 4800 кадров в секунду, или фоторегистратором СФР-1 с ча­ стотой до 4,8 • 105 кадров в секунду.

Выстрел осуществляется дистанционно при помощи электро­ магнитного спуска для камеры СКС-1 или выдачей высоковольт­ ного импульса (5 кв) из пульта управления фоторегистратора СФР-1, который вызывает взрыв электродетонатора ЭД-6 мгновенного действия, подающего через металлический стер­ жень ударный импульс на капсюль патрона.

Копер—нестационарный, и при помощи его можно произво­

266

представляет собой систему, действующую по принципу огне­ стрельного оружия.

Станина изготовлена из швеллера № 20, на котором при по­ мощи креп.ежных болтов и стальной плиты укреплены салазки казенника. Между салазками и казенником имеется пазовое сое­ динение в виде полозков, позволяющее подвижным частям си­ стемы откатываться при выстреле.

Канал ствола гладкий с внутренним диаметром 20 мм и дли­ ной 820 мм. На его концах имеются резьбы для соединения с ка­ зенником и направляющей бойка. На расстоянии 200 мм от ка­ зенной части находится паз, в котором крепится кронштейн амортизатора. В передней части ствол поддерживается крон­ штейном.

Сверху в казенник вставляется затвор, тыльная часть кото­ рого имеет наклон 1 49 для лучшего извлечения его после вы­ стрела. В затвор вкладывается ударник с боевой пружиной и заглушка ударника. Во взведенном положении собачка электро­ магнитного спуска заходит в заплечики ударника и ограничи­ вает его поступательное движение.

Амортизатор состоит из четырех пружин, две из которых ра­ ботают на откат подвижных частей ствола, а две — на накат.

Кронштейн при помощи хомутика жестко соединен болтами со стволом и при откате действует на пружины, которые упи­ раются в тыльники буферов направляющих и сжимаются. При накате работают по этому же принципу передние пружины, упи­ рающиеся в передние буфера, которые навинчены на торцах направляющих. Направляющие своими хвостовиками ввинчены в опоры салазок и свободно скользят в пазах кронштейна. На­ правляющая отцентрирована по оси ствола, но имеет больший внутренний диаметр и служит для направления полета бойка на образец. Через боковые пазы производится кинематографирование подлета бойка к образцу.

В зависимости от цели и методики испытания предусмотрено несколько сменных образцедержателей. В частности, для испы­ таний прямоугольных образцов на изгиб служит наковальня (рис. 109). В этом случае киносъемку проводят фоторегистрато­ ром СФР-1 в отраженном от поверхности образца свете.

Во избежание разворота бойка во время его контакта с образцом хвостовая его часть должна находиться в напра­

вляющей.

Копер заряжается патроном с определенной навеской пороха и бойком, представляющим собой металлический стержень

267

в отраженном или проходящем свете). Копер с осветительной системой выносят из помещения и устанавливают около стены здания. Кинокамеру располагают в помещении, и съемка осуще­ ствляется с расстояния 40—200 см через небольшую специально сделанную в стене здания бойницу. Стена здания, прилегающая к району испытания, бронируется листовой сталью толщиной 5— 7 мм. При таком методе съемки камера защищена от возмож­ ных поражений осколками, и можно проводить опыты незави­ симо от погоды и времени года.

После наводки, регулировки системы освещения и установки копер заряжают бойком и патроном. Величину навески пороха

Рис. 110. Схема расположения деталей при испытании в проходя­ щем свете

выбирают в зависимости от желаемой скорости бойка, которую определяют по смещению бойка на последовательных кинокад­ рах, снятых кинокамерой СКС-1, обрабатывая их на измеритель­ ном микроскопе; частоту съемки устанавливают при этом по следу неоновой лампы на кинопленке.

Схема испытания в проходящем свете приведена на рис. 110. Высокоскоростной копер 1 ставят под козырек пулеуловителя около стены здания так, чтобы боек после разрушения образца уходил в бруствер. На станине копра посредством четырех бол­ тов укрепляют образцедержатель, в его гнездо в вертикальном положении вставляют испытуемый образец 2. За образцедержателем ставят матовый экран 3. На фоне экрана при его осве­ щении двумя кинофонарями КН-12 4 в боковых пазах образцедержателя должны четко выделяться направляющая бойка 5 и сам боек 6. Киносъемку процесса производят кинокамерой

270

СКС-1М 7. Поле зрения кинокамеры выбирают таким образом, чтобы на кинокадрах был зафиксирован подлет бойка к образцу, его разрушение и полет бойка после разрушения.

Инициирование выстрела производится дистанционно из по­ мещения при помощи электрической схемы, показанной на рис. 111, позволяющей синхронно включать в работу кинокамеру и реле времени 5БК-52000в ■— электромагнитный спусковой ме­ ханизм, благодаря чему обеспечивается надежность съемки при­ близительно на двадцатом метре кинопленки.

Схема работает следующим образом. После замыкания ключа К через автотрансформаторы 7\ и Г2 подключаются мо-

Рис. 111. Электрическая схема синхронизации выстрела и пуска кинока­ меры СКС-1М:

торы Mi и М2 скоростной кинокамеры СКС-1М и неоновая лампа МН-7, служащая отметчиком времени киносъемки. Одновременно срабатывает реле 1Р типа МКУ-48, которое включает в цепь напряжением 380 в реле времени, замыкает цепь спускового электромагнита ЭП-41, притягивающего якорь с собачкой спу­ скового механизма, — инициируется выстрел. Методика про­ стрела листовых образцов аналогична.

7. ТРЕЩИНА— ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Методика Ирвина, позволяющая по состоянию в точке пере­ хода от неподвижности трещины к медленному ее перемещению или от докритического разрушения к лавинному находить основ­ ные параметры материала, не единственная область использо­ вания самого процесса разрушения в целях определения свойств тела. Е. М. Морозов и Я- Б. Фридман [583, 584] предложили ана­ лиз трещин как метод оценки характеристик разрушения,

271