были ориентированы под углами, близкими к 90° по отношению к направлению растяжения, и прорастали с большими скоростями.
Вследствие того, что направление роста двойника не лежало в плоскости образца, двойник выходил на поверхность под некото рым углом, из-за чего невозможно было точно определить скорость его роста. Ориентировочная оценка позволяет говорить о ско рости процесса двойникования в пределах 2000—2500 м/с. При таком ритме возникают десятки и сотни прослоек, объединяющихся в колонии, каждая из которых лежит в одном кристаллите и развернута по отношению к соседней на угол разор иентировки смежных зерен.
Благодаря синхронности скоростей фотосъемки и тензометри ческого осциллографирования процесса удалось оценить порого вые напряжения появления двойниковых прослоек в процессе импульсного нагружения. Оказалось, что для кремнистого железа критическое напряжение двойникования лежит в пределах 25— 30 кгс/мм2, что близко к статической прочности трансформаторной стали.
В этом же эксперименте нами зарегистрировано появление упругих двойников, ранее наблюдавшихся при динамическом нагружении кремнистой стали. Прослойки существовали в тече ние 80 мс и выклинивались еще до полной разгрузки образца, связанной с разрушением. Некоторые из упругих двойников воз никли вследствие перераспределения напряжений перед вершиной растущей трещины.
Через 20—30 мкс после образования первых двойников в вершине надреза в местах с наиболее высокой плотностью двойни ковых прослоек появляется трещина. Она растет со скоростью 1000—1500 м/с, как правило, по границе одного из двойников, меняя вслед за ним ориентацию на межзеренном сочленении. Появ лению трещины и ее движению сопутствует очень слабый процесс двойникования непосредственно в окрестности вершины и вдали от нее.
Создается впечатление, что быстрая трещина, поглощая почти всю энергию разрушающегося образца, подавляет двойникование.
Всвою очередь лавинное двойникование задерживает зарождение
идвижение трещины на ранних этапах нагружения.
Было исследовано также влияние стационарного температурного поля на разрушение пластин из кремнистого железа. Градиент температур на поверх ности образца создавался управляемым плоским нагревателем. Температурное поле измеряли хромель-копелевыми термопарами; регистрация режима осуще ствлялась осциллографом Н-700. Когда температура в зоне нагрева достигала 70е С, двухпозиционный регулятор отключал шлейфовый осциллограф и нагре ватель. Обеспечив безопасность измерительной схемы, регулятор выдавал сигнал, разрешающий включение испытательной установки. Распределение температур на поверхности образца и схема эксперимента приведены на рис. 120.
При включении установки трещины возникала в зоне комнат ной температуры и распространялась в области с температурным
Рнс. 120. Распределение температуры по по верхности образца и схема опыта (ДПР — двухпозициоиный регулятор)
градиентом. Стартовая ско рость разрыва составляла 1000— 1500 м/с. В районе те плового поля она снижалась до 700 м/с.
В двух случаях из десяти трещина не смогла преодолеть температурного барьера ста ционарного поля. Очевидно, при малых размерах образца принятая методика не всегда обеспечивает создание поля, способного противостоять жесткой системе нагруже
ния. Для релаксирования запаса упругой энергии, накопленной пластиной и разрывающей системой при взрыве проводника в воде, необходимо увеличить работу распространения трещины на участке торможения. Этого можно достичь, увеличив вязкость материала и протяженность нагретой зоны или изменив направ ление напряжений в вершине разрыва. Первые два способа не требуют опытной проверки, а последний, хотя и рассматривался в одной теоретической работе [325], экспериментального под тверждения пока не получил.
Рассмотрим возможность торможения трещин импульсным локальным термоупругим полем.
Простейшим способом, позволяющим получить локальный тепловой поток, обладающий высокой плотностью энергии, явля ется использование взрывающихся проволочек.
Испарение проволочки на поверхности пластины, обусловленное разрядом высоковольтных конденсаторов, приводит к местному разогреву образца в эпи центре взрыва. Температура существенно зависит от параметров проводников и мощности источников. Для условий эксперимента путем варьирования толщины проволочек и фольг при постоянной их длине и мощности взрыва (0 = 560 мкф, / = 1 см) были определены параметры нагревателя (d — 0,35 мм, / = 1 см), обеспечивающие максимальную температуру (350° С) в зоне нагрева. Темпера тура оценивалась по оплавлению тонких мостиков из легкоплавких металлов и цветам побежалости.
Известно, что при электрическом взрыве проводников возникают и «побоч ные» эффекты. Это в первую очередь ударные волны, способные изменять распре деление напряжений в вершине трещины и тем самым направление и скорость ее движения. Чтобы исключить влияние динамического импульса, необходимо инициировать трещину после его затухания в момент, когда температурный градиент еще достаточно велик.
Синхронизация нагрева с моментом разрушения достигалась использованием электромеханической линией задержки. Через 300 мкс после включения мгновенного источника, когда явления, связанные с ударными волнами, не влияли на эксперимент, уста новка инициировала трещину. Она распространялась по заданной траектории в зону локального нагрева. В области повышенных температур вследствие увеличения вязкости возрастало сопро-
тивление материала движению трещины.- Энергия, запасенная системой,' частично релаксировала на этом препятствии. В то же время сжимающие термоупругие поля, локализованные вблизи эпицентра.взрыва, уменьшали интенсивность напряжений в вер шине взрыва. На кинограммах развития процесса видно, что трещина, пройдя примерно 1/3 образца, достигла своих максималь ных размеров. Начальная, скорость разрушения при этом была велика. Рост трещины виден на 2—3 кадрах. Затем скорость разрушения резко снижалась. Вершина трещины затуплялась. Увеличивался угол раскрытия берегов. Трещина останавливалась.
Уместно оценить «меру сопричастности» составляющих тор мозного барьера: повышения вязкости материала и термоупругих напряжений. Расчленим компоненты мгновенного теплового ис точника по эффекту изменения скорости трещины на участке торможения. Известно, что повышение температуры кремнистого железа приводит к росту эффективной поверхностной энергии разрушения. Вследствие увеличения сопротивления образца раз рыву снижается скорость трещины. Проведенные опыты показали, что при равномерном нагреве образца до 350° С скорость ее умень шается только на 30% по сравнению со скоростью при комнатной температуре. Таким образом, даже в эпицентре локального источ ника термоупругое поле сжатия представляет собой наиболее эффективную компоненту теплового барьера. Это открывает возможность управления траекторией разрушения на дальних подступах к опасным зонам.
Проведены [321] опыты по изменению направления разру шения с помощью импульсных термоупругих полей, генерируе мых по описанной выше методике. Проволочку длиной 0,5 см и диаметром 0,5 мм устанавливали на расстоянии 1 см от обычного русла трещины. Разрушение инициировалось через 300 мкс после включения мгновенного источника. Под действием термоупругого поля вершина трещины изменяла направление, приближаясь к эпицентру взрыва. В области повышенной вязкости и сжимающих термоупругих напряжений разрушение останавливалось. Таким образом, размещение импульсных нагревателей несколько в сто роне от вероятной траектории трещины является предпочтитель ным.
7. ТОРМОЖЕНИЕ ТРЕЩИН В ТРУБАХ,
РАБОТАЮ Щ ИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ1
■ Было необходимо разработать способ нагружения труб, воспроизводящий реальные условия [326—3291 и методику регистрации скорости распространения трещины и разрушающих напряжений.
Применяемые в настоящее время схемы испытания труб опрессовкой высо ким давлением носят сравнительный характер и не соответствуют условиям работы реальных конструкций. Обычно, чтобы довести образец до пластической
1 См. сн. на с. 282.
Деформации и разрыва, необходимо затратить от 100 до 1000 с. В то же время в эксплуатационных условиях при скорости распространения разрыва свыше 400 м/с металл трубы перед фронтом трещины находится под нагрузками, вызы вающими пластическую деформацию в течение тысячных долей, секунды. Это
предъявляет высокие требования к прочности металла [330, |
331]. |
В весьма большом числе работ рассматривается с разных точек зрения во |
прос о методах воссоздания реальных условий разрушения |
труб, работающих |
в сложно-напряженном состоянии [333—336]. Так, в работе [222] описан способ гидродинамического разрушения толстостенных труб. Предлагается заполнять образец водой, удерживаемой двумя резиновыми пробками. Конфигурация про бок обеспечивает должное уплотнение. Поддерживаемые пуансонами пробки самозаклиииваются, тем самым исключается утечка нагружающей среды в пе риод работы. Скорость разрушения определяется с помощью разрывных датчиков, направление трещины — автономным устройством. В США для оценки прочност ных характеристик газопроводов трубы испытывают на разрыв внутренним давлением при различных температурах. Скорость трещины определяется в экспе рименте по времени разрыва проволочных датчиков. Направление разрушения задается V-образным надрезом вдоль оси трубы [341 ].
Эти способы испытания труб интересны методикой измерения скорости тре щины и разрушающего давления, однако, как и стандартные, они имеют недо статок — сравнительно низкий темп нагружения.
В работе [222] описан способ разрушения электрогидравлическим ударом. При испытании полость цилиндра заполняли водой и уплотняли специальными пробками. В трубу с помощью коаксиального электрода вводили медную про волочку. Через последнюю разряжались высоковольтные конденсаторы. При включении силовой цепи под воздействием мощного импульса тока проволочка испарялась. Расширение канала взрыва сопровождалось ударной волной. Тре щина, возникавшая при взрыве проволочки в месте максимальной концентрации
напряжений, |
развивалась под давлением жидкости. Спад давления приводил |
к остановке |
трещины. |
Описанный способ испытания воссоздает условия разрушения нефтепроводов при внутренних вспышках и взрывах, однако он не применим для моделирования процесса разрушения труб, работающих под давлением газа. В связи с этим пред ложен метод нагружения с помощью взрыва проволочки и порохового заряда [337, 436].
Испытания выполняли на трубах диаметром 16 мм при толщине стенки 1 мм с продольным концентратором (0,5Х 1 мм). В образец с помощью коаксиаль ного электрода вводили медную проволочку длиной 50 мм, диаметром 0,5 мм. Вплотную с проволочкой размещали пороховой заряд массой 6 г. Трубу гер метизировали алебастровыми пробками.
Проволочку взрывали разрядом пяти высоковольтных конденсаторов общей емкостью 700 мкФ, заряженных до 3,7 кВ. Разряд инициировался управляемым разрядником на тиристоре, схема которого была описана в работе [338]. Разрыв трубы, возникший при взрыве проволочки, развивался под давлением порохо вых газов, так как темп распространения трещины был выше скорости деком прессии при истечении газа трубы.
Скорость разрушения регистрировали с помощью электрической схемы, приведенной на рис. 121 (разрывные датчики). Погрешность измерения скорости этим методом зависит от ошибок при определении расстояния между проволоч ками, длины ступеней на осциллограмме и класса приборов. Обычно она не превышала 15%.
Влияние температуры на кинетику распространения трещин.
Опыты проводили в диапазоне температур (-|-100)—(—70)с С. Разрушение стали при —70° С приводит к получению поверх* ности разрыва грубо кристаллического строения. Скорость разру шения достигает 1400—1500 м/с. Сопротивление движению тре щине при низких температурах весьма мало. Вид разрушенных
ирй —70° С образцов свидетельствует 6 том, что энергия взрыва избыточна (рис. 122, б). Часто берега трещины оказываются развернутыми на 180° относительно образующей трубы, парал лельной надрезу. Иногда образцы скручиваются и деформируются в осевом направлении. Наблюдались случаи поперечного раз рыва трубы при длинной продольной трещине.
Нагрев образцов до комнатной температуры и выше приводит к резкому изменению характера излома. Проявляется рельефная зона утяжки вдоль берегов. Скорость разрушения падает до 300 м/с. Значительно сокращается длина разрыва. Разворот берегов трещины и макродеформация образцов проходят менее интенсивно (рис. 122, в).
Нетрудно оценить удельную работу развития трещины (ар) для разных температур (скоростей разрушения) образца, восполь
зовавшись |
методикой Лифшица—Рахманова |
[332]. |
С учетом |
экспериментального |
определения р и цтр этот |
способ |
позволяет |
сравнивать |
прочность труб по энергетическим характеристикам |
и свободен |
от недостатков, отмеченных авторами |
[334, 336]. |
Ранее этот вопрос обсуждался в работе [339]: |
|
|
|
вр= Р1° |
\ е р |
^ |
[ l — (1 — ехр(— ЗИтр)2] , |
|
|
|
где р — давление |
в |
трубе; D — диаметр трубы; |
б — толщина |
стенки трубы; атр — скорость трещины; ц — коэффициент Пуас сона; Е — модуль Юнга.
Результаты опытов, проведенных при разных тепловых режи мах, позволили построить график температурной зависимости скорости разрушения (рис. 123). Видно, что равномерный нагрев
Рис. 121. Схема испытания трубы на разрыв:
1 — труба; 2 — алебастровые пробки; 3 — взрывающаяся проволочка; 4 — по роховой заряд; 5 — разрывные датчики; б — пьезодатчики; 7 — осциллографы; 8 — высоковольтный блок
через зону тормозного барьера и она останавливается в области 12—15° С (рис. 124).
Чтобы дифференцировать роль температурных напряжений и вязкости металла в процессе разрушения труб, провели ряд опытов при низких температурах. При этом исходили из того, что в диапазоне (— 180) — (—50)° С работа разрушения меняется незначительно, и по изменению длины трещины в области гради ента отрицательных температур можно судить о влиянии соб ственно полей сжатия.
Было взорвано несколько образцов, охлажденных жидким азотом до — 180° С. Произошло хрупкое разрушение с образова нием множества мелких осколков. Длину повреждения измеряли по оставшейся целой части трубы. При испытании образцов с пере падом температур (—180) — (—100)° С и (—180) — (—50)° С ха рактер разрушения не изменялся, но длина излома в полтора раза уменьшалась с ростом температурных напряжений.
Результаты опытов позволяют сделать вывод о существенном влиянии полей сжатия на процесс распространения разрывов. Усилия, возникающие при градиенте температур (—70)-г-(+35)° С, достаточны, чтобы остановить быструю трещину.
Торможение трещин нестационарными термоупругими по лями [435]. Ранее была установлена возможность торможения динамических трещин импульсными термоупругими полями в случае разрушения пластин при одноосном растяжении. Рассмот рим приемлемость этого метода для цилиндрических оболочек, работающих под давлением. Результат экспериментов нетрудно предсказать при удачном выборе источника нагрева, способного обеспечить мощное усилие сжатия и одновременное повышение вязкости материала на достаточно протяженном участке.
Импульсные локальные тепловые поля создавали способом, описанным в этой главе ранее.
Через проволочку, охватывающую трубу, разряжали пять высоковольтных конденсаторов (С = 700 мкФ, U = кВ). В ре зультате взрыва образец нагревался. Распределение температур измеряли комбинированным методом. Максимальную температуру определяли по определению мостиков из легкоплавких металлов, а последующее распределение температур устанавливали с помощью термопар.
Оказалось, что в момент взрыва температура на поверхности трубы достигает 200° С, а затем на расстоянии 4 см спадает до комнатной за 1,4 с.
Необходимо было выяснить, способен ли созданный барьер затормозить трещину, достаточны ли его протяженность и гра диент температур. В противном случае размеры поля можно уве личить, взорвав последовательно серию проволочек.
Взаимодействие трещины с нестационарным температурным полем изучали при начальной температуре образца — 10° С. В этом случае при равномерном охлаждении разрушение обычно
Рис. 124. 1 Изменение скорости разру- |
Рнс. 125. Торможение трещины локальным |
шення в зоне действия температурных |
тепловым полем |
полей |
|
происходит со скоростью 500—550 м/с, что несколько выше темпа декомпрессии трубы. Вследствие этого наблюдается лавинное рас пространение излома и цилиндр рассекается трещиной полно стью. Если разрушению трубы предшествует возникновение термоупругого поля, то характер разрыва и его скорость резко изменяются.
С помощью системы синхронизации трещина зарождалась через 0,2 с после взрыва проволочки на поверхности трубы и распростра нялась по заданной концентратором траектории к месту локаль ного нагрева. В зоне повышенных температур из-за увеличения вязкости материала и перераспределения полей в вершине ско рость разрушения становилась меньше темпа декомпрессии. Резкий спад давления приводил к быстрой остановке [трещины (рис. 125). Созданное локальное тепловое поле оказалось непрео долимым барьером на пути ее движения.
В дальнейшем путем варьирования емкости конденсаторных батарей и времени от начала нагрева и до разрушения были най дены оптимальные параметры термоупругого поля, тормозящего трещину.
Эксперименты проводили в несколько этапов. Вначале при неизменном / = 0,2 с была определена минимальная энергия конденсаторных батарей, при которой созданное поле тормозило распространение трещины. Затем варьировалось время задержки между взрывом и началом разрушения. В результате многократ ного повторения опытов было установлено термоупругое состоя ние, характеризующее минимальную зону нагрева, необходимую для остановки трещины. Оно возникало через 0,1 с после разряда конденсаторов (С = 560 мкФ, U — 5 кВ) через проволочку, охватывающую цилиндр.
Для определения характеристик термоупругого поля, тормо зящего распространение трещины, решали задачу термоупру гости [337].
Расчет термоупругого поля показал, что вблизи зоны тепло выделения существует локализованная область, в которой как кольцевые (афф), так и продольные (aZ2) компоненты поля напря жений являются сжимающими. Усилия резко возрастают у источ ника, достигая величины, близкой к пределу прочности материала.
Непосредственно к зоне тепловыделения примыкает область, в которой кольцевые напряжения меняют знак, а продольные остаются сжимающими, причем их величина почти на порядок выше первых.
Так как в настоящее время теория распространения трещин в трубах не разработана, качественно оценим влияние термо упругих напряжений на развитие излома, сопоставив графики изменения его скорости с кривыми распределения термоупругих напряжений (см. рис. 125).
При входе в зону теплового влияния наблюдается снижение темпа разрыва. Процесс интенсифицируется по мере приближения к эпицентру взрыва. Несомненно; падение скорости излома объяс няется релаксацией разрушающих напряжений вследствие воз растающей вязкости материала. Тем не менее резкое пятикратное снижение длины тормозного пути трещины в области локального термоупругого поля по сравнению с той же характеристикой при равномерном нагреве образца и в случае стационарного градиента температур позволяет сделать вывод, что это явление связано с уменьшением интенсивности напряжений в вершине благодаря усилиям сжатия, направленным вдоль трубы.
По мере приближения к источнику нагрева скорость трещины постепенно снижается. Потенциал системы полностью релаксирует, когда вершина излома попадает в область, непосредственно прилегающую к эпицентру взрыва. Здесь сопротивление материала распространению трещины резко возрастает благодаря усилиям сжатия и повышенной вязкости материала. Так как вязкость материала относительно мало изменяется, начиная с 50° С быстрое торможение и остановка разрыва в зоне тепловыделения в основ ном происходят благодаря сжимающим напряжениям.
На основании данных измерения скорости разрушения в зоне торможения можно оценить энергоемкость процесса. Исходя из Расчет, выполненный для условий эксперимента, когда vTP можно аппроксимировать прямой vTp (I) = 0,2(/ — 3,75), показал, что At — 5,6 *10“2 кгс-м. Малая энергоемкость торможения — одно из достоинств принятого метода управления разрушением. Резюмируя изложенное, можно утверждать, что импульсные термоупругие поля являются эффективным средством торможения
трещин в трубах, работающих под давлением.
Г л а в а X
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА РАЗРУШ ЕНИЯ
Содержание предыдущих глав не оставляет сомнения в возможности торможения трещины на всех этапах ее распространения, вплоть до закритического роста с высокими скоростями. Существующая электронная техника в полной мере делает этот процесс реальным и доступным. Имеются, однако, известные слож ности, связанные, в частности, определением момента и места зарождения тре щины. При этом крайне важно, чтобы фиксирование ее было по возможности ранним. Желательно, например, было бы предсказать появление трещины еще до ее возникновения. И это удалось (см. гл. VIII) осуществить в динамическом случае, когда разрушение предварялось двойникованием. В этих условиях возникновение микротрещииы предсказывалось с высокой надежностью при мерно за 20 мкс до ее появления. Однако в обычной практической ситуации прогнозирование такого рода пока еще недостижимо.
Проблема обнаружения макроскопической трещины в статическом варианте решается легко. Проста она и в динамической своей разновидности, если из вестно направление распространения разрушения. Безусловные осложнения возникают в протяженных деталях с неизвестной трассой трещины.
Неизмеримо более трудны случаи, когда необходимо диагностировать раз рушение, т. е. определить не только сам факт наличия трещины, но и выяснить ее основные характеристики — скорость, ускорение, локализацию, направление движения и др.
Поскольку для динамического торможения трещины нужно известное время, к индикатору разрушения должны быть предъявлены, по крайней мере, следу ющие требования:
1. Разрушение желательно прогнозировать до его наступления.
2. Разрыв во времени между сигналом о возможном появлении микро-
имакротрещины и их реальным возникновением должен быть возможно большим.
3.Если трещину невозможно предсказать, она должна фиксироваться на желательно более раннем периоде «созревания».
4.Сенсорные системы, определяющие факт возникновения или роста тре щины, должны быть высокочувствительными и сенсибилизированы к процессам разрушения.
5.Диагностирование растущей трещины должно быть исчерпывающим и включать в себя основные скалярные и векторные параметры движения.
1. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ
ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ
ПОЛИКРИСТАЛЛОВ
Известно, что в процессе пластического деформирования металлы излучают упругие колебания в относительно широком диапазоне частот. Начиная с работ по «крику» олова, акустическую эмиссию исследовали неоднократно на чистых металлах и сталях. Укажем, например, на работу Редстейка [342], в которой приведены материалы по излучению шумов сталями в условиях испытания на усталость. Отмечается чрезвычайно слабая интенсивность излучения, вынужда ющая применять «бесшумные» нагружающие устройства.
Установлено испускание звуковых волн при растяжении низкоуглеродистой стали в диапазоне температур от -f-200 до — 196° С [343]. Звучание обнаружено при напряжениях несколько ниже предела текучести и напряжениях, отвеча ющих площадке текучести. Мазни [344] обнаружил звуковые импульсы при образовании и распространении полос Чернова—Людерса. Зафиксировано зву чание пластически деформируемых металлов и в работе [345].
В процессе деформирования нержавеющей стали 1Х18Н9Т при температу рах 20 и 200° С обнаружена [346] звуковая эмиссия, зависящая от стадии нагру
