книги / Хрупкость металлов при низких температурах

Сопоставление выражений (5.5) и (5.7), из которого следует

■fiVtc’3 = 47,6 • 10* {Кр. = 2тс jAtpc), дает связь меяеду характеры' стыками микромеханизма разрушения тс (МИ/м2) и рс (м):

анализе конкретного микромеханизма зарождения микротрещины на расстоянии рс от вершины магистральной трещины.

Не останавливаясь на вопросе о том, какому атомному меха­ низму разрушения может соответствовать связь меяеду критиче­ ским локальным напряжением и расстоянием рс, рассмотрим бо­ лее подробно вытекающие из полученных результатов выводы о влиянии температуры и скорости нагружения в вершине трещи­ ны Kj на процесс перехода металла в хрупкое состояние. Для этого в выражениях (5.5) и (5.7) тт или сгт следует рассматривать как физическую величину, зависящую от температуры и скорости деформации.

В соответствии с соотношением (3.51) эту величину мояшо

или,- учитывая соотношение (5.7),

hT

/• \2100fc*

Поскольку формула (5.11) справедлива для сравнительно низ­ ких скоростей деформации, учитывая, что для исследованного ма­

териала е0 s» 5 • 105 с " 1, вычисления 2грс проводили для значений

от температуры при различной скорости деформации приведены на рис. 145. Из графиков видно, что эта формула достаточно вер­ но отражает поведение образца с трещиной под нагрузкой (темпе­ ратурно-скоростную зависимость критического размера пласти­ ческой зоны в вершине трещины). Критический размер пласти­ ческой зоны является ваншой деформационной характеристикой

разрушения материала, и для разрушения с малой пласти­ ческой зоной в вершине тре­ щины существует известная связь между этой характери­ стикой и критическим раскры­ тием трещины Ôc, критическим коэффициентом интенсивности напряжений Kjc и ли критиче­ ской скоростью освобождения упругой энергии 6?ic, поэтому полученный результат пред­ ставляет существенный ин­ терес с двух точек зрения. Вопервых, видно, что существует серьезная физическая основа сопоставления различных ре­ зультатов, часто противореча­

щих друг другу и полученных по многочисленным методи­ кам испытания материалов на сопротивление хрупкому раз­ рушению. При этом остаются очень важными исследования влияния иа характеристики хрупкого разрушения геомет­ рических факторов (геометрия образца, вид и способ при­ готовления надреза, способ испытания), однако оказывается принципиально возможной оценка влияния на них таких факторов, как скорость деформации, температура и структура материала. Во-вторых, этот результат свидетельствует о принципиальной возмояшостн аналитического определения критической темпера­ туры хрупкости на основе анализа температурной зависимости критического размера пластической зоны или критического рас­ крытия трещины при разрушениях с малой пластической зоной в вершине трещины.

Разрушение плоских надрезанных образцов Fe -|- 3,25 % Si. Эксперименты на кремнистом железе проведены на образцах геометрии, принятой для описанных выше образцов из техниче­ ского железа. Толщина листового кремнистого железа 0,5 мм. Методика приготовления образцов, их полировка, профилирова­ ние вершин надрезов и др. не отличались от описанной выше методики препарирования образцов из технического железа [1 ]. Эксперименты проведены для образцов с надрезами двух различ­ ных радиусов вакругления в вершине — 0,03 и 0,125 мм.

Температурные зависимости критического коэффициента ин­

тенсивности напряжений К* с учетом поправки иа пластическую

зону приведены па рис. 146, из которого видно, что радиус за­ кругления в вершине трещины существенно влияет на величи­

ну К*с. Учитывая результаты работы I19J, можно сделать вывод, что в данном случае радиус вершины надреза 0,03 мм для всех изу-

рости Ki приводит к снижению бс, 2грс и К*с. Лишь при ком­ натной температуре, когда разрушение происходило с образова­ нием сравнительно больших пластических зон, с ростом скорости

лом имел кристаллический характер. Лишь при минимальной скорости нагружения наблюдалось медленное развитие вязкой трещины на 1—2 мм, которая затем переходила в хрупкую.

На рис. 151 показано, что предел текучести на гладких образ­ цах из того же листового материала удалось зафиксировать лишь до температуры 223 К. При более низких температурах этому мешало преждевременное хрупкое разрушение образцов. Штри­ ховая кривая нанесена по результатам проведенных в параграфе 4 главы третьей расчетов для этого материала и представляет собой ориентировочную оценку предела текучести без учета вли­ яния двойникования на эту характеристику. Разрушения, проис­ ходившие при Т < 223 К, удовлетворяют одному из условий

достоверности критериев ЛМР ( - ^ - < 0,7).

Практически все разрушения происходят в условиях плос­ кого напряженного состояния в вершине трещины (см. рис. 148, а). Исключение могут представлять лишь данные, по­ лученные при Т = 78 К для обеих скоростей и Т = 98 К — для

максимальной скорости. Например, параметр 0С

2,5, ширина 36 мм) образцов из технического железа с централь­ ной симметричной сквозной трещиной (Z = 18 мм) на растяжение, примечательные тем, что допускают анализ температурно-ско­ ростной чувствительности вязкости разрушения на основе прове­ денного в работе [421] и описанного в параграфе 5 главы третьей термоактивационного анализа предела текучести п напряжений течения малоуглеродистой стали той же плавки. Подробности методики изложены в отмеченных выше работах.

В зависимости от условий испытания наблюдались различные типы диаграмм разрушения (нагрузка — время) при постоянной скорости перемещения активного захвата испытательной маши­ ны: от полных диаграмм, соответствующих вязкому разрушению, до диаграмм в виде прямолинейных участков, соответствующих хрупкому разрушению при низких температурах. Эксперименты [421] проведены при трех скоростях нагружения, соответствую­ щих трем скоростям перемещения активного захвата машины

разрушения, когда нагрузка P Q

совпадает с разрушающей; верхняя — к области вязкого, когда на­ грузка P Q определяется по правилу 5% -ной секущей (16] и не сов­ падает с разрушающей. Как видно из рис. 152, отношение <T„Q/<TT для верхней части графика мало зависит от температуры, поэто­ му нагрузку P Q в этой области следует связывать не с разруше­ нием, а с текучестью материала. Тот факт, что в этой области ве­ личина OUQ/OT больше единицы, можно объяснить наличием в ис­ следованном материале довольно большого зуба текучести, а также тем, что величина P Q относится больше к верхнему пределу текучести, чем к нижнему. На рис. 153 приведены температур­ ные зависимости критического коэффициента интенсивности

то каждую температурную зависимость (см. рис. 153) можно условно разделить на три части: 1) область действительных значе­ ний Kjc (гр < Æ), где размер пластической зоны существенно меньше толщины образца; 2) область смешанного разрушения, для которой гр соизмеримо с толщиной образца; 3) область

роду механизма разрушения гладких образцов и образцов с трещи­ ной, что может быть следствием одной из двух причин: либо в гладких образцах ответственной за разрушение является стадия распространения трещины, либо в образцах с трещиной достиже­ ние нестабильности трещины связано с необходимостью зарожде­ ния микротрещины в ее вершине и последующего их слияния. В последнем случае ответственной за разрушение должна быть стадия зарождения микротрещины.

В то же время данные рис. 154 свидетельствуют о том, что для области хрупких разрушений условие нестабильности тре­

щины (Ki — К 1с) полностью определяется текучестью матери­ ала и мйкромеханизмом его разрушения, так как согласно рисунку

что близко к результатам, данным в табл. 21. В области более высоких температур (вязкое разрушение) эта корреляция нару­

шается и наблюдается прямая связь между K Q и с т, что под­ тверждает рис. 152. Различный характер в этих двух температур­ ных областях имеет влияние скорости нагружения на величину K Q . В области низких температур (хрупкое разрушение), как показывает рис. 57, величина К je* уменьшается с ростом скорос­ ти K i, причем чувствительность к скорости увеличивается с рос­ том температуры. Противоположный характер имеет влияние скорости на K Q в области разрушений (рис. 156, б), где рост ско­ рости приводит к увеличению K Q . Влияние скорости нагружения K i на величину K ie в области хрупких разрушений (малые по сравнению с полудлиной трещины размеры критической зоны) хорошо согласуется по характеру зависимости с аналитическими результатами.

Приведенные выше закономерности позволяют сделать важный вывод, относящийся к определению достоверной величины Kici

характер температурно-скоростной зависимости K Q , определен­ ной в соответствии с рекомендациями стандарта, свидетельству­ ет о том, что корректные значения K ic как характеристики сопро­ тивляемости материала развитию в нем трещины определены лишь для низкотемпературной области, где разрушение носит выраженный хрупкий характер. Величины K Q , найденные по нагрузке P Q в области вязких разрушений, связаны с началом пластического течения материала и не характеризуют процессы разрушения, т. е. не являются характеристикой вязкости разру­ шения материала в общепринятом понимания. Следовательно, найденные по нагрузке P Q характеристики вязкости разрушения в области вязкого разрушения материалов характеризуют времен­ ную потерю материалом устойчивости в вершине трещины, свя­ занную с наличием в нем зуба текучести, а не с разрушением.

разных скоростей нагружения k it MH/(Mv* • с):

показаны температурные зависимости скорости деформации у кон­ тура пластической зоны в момент разрушения, рассчитанные по фор­

муле (2.67) для K i = К il (в области хрупких разрушений). Видно, что при одной и той же скорости нагружения скорость деформации на контуре пластической зоны может изменяться на порядок в за­ висимости от температуры испытания. Причина ясна из вывода формулы (2.67): с ростом температуры увеличивается критиче­ ская пластическая зона, что в результате градиента напряжений в области, находящейся вне пластической зоны, приводит к па­ дению скорости упругой деформации. Пренебрежение этим об­ стоятельством, особенно для материалов, отличающихся силь­ ной чувствительностью предела текучести к скорости деформации, может привести к серьезным погрешностям при анализе получен­

ных результатов. Для каждой скорости нагружения К\ на рис. 157 приведены также значения номинальной скорости дефор­

мации боо гладкого образца (или скорости деформации на боль­ шом удалении от кончика трещины в надрезанном образце). Оче­ видно, что при увеличении размера критической пластической

зоны скорость деформации ес на контуре должна асимптотиче­ ски стремиться к goo-

На рис. 158 приведены температурные зависимости удельной