4.2 Выбор материалов

 

Важным аспектом повышения надежности конструкции является повышение вероятности обнаружения трещины прежде, чем она достигнет критического размера. Большие трещины обнаружить легче, чем маленькие. Следовательно, предпочтительнее использовать материалы, в которых критические размеры трещины велики. Трещиностойкость материала следует оценивать в связи с действующим уровнем напряжений

Сравнение материалов с точки зрения их трещиностойкости следует основывать на предположении о том, что конструкционная эффективность материалов одного порядка: предполагается, что проект конструкции оптимизирован таким образом, чтобы каждый материал работал при одном и том же отношении рабочей нагрузки к пределу текучести, так что эксплуатационная нагрузка σ = ασ_ys, где 0<α<1, имеет одинаковое значение для всех рассматриваемых материалов. Критический размер трещины определяется соотношением:

 

(18)

 

Уравнение (18) означает, что график зависимости К_Ic от σ_ys при постоянном критическом размере трещины представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Эти линии для различных длин трещин изображены на рис. 57. На этом рисунке также обозначены области вязкостей, которые можно получить для титановых сплавов, сталей и алюминиевых сплавов. Оказывается, допустимые размеры трещин для разных материалов различаются мало, хотя для данной стали, занимающей верхнюю часть полосы, этот размер может оказаться большим, чем для алюминиевого сплава, занимающего нижнюю часть полосы, и наоборот.

 

Рис. 57. Требуемые и имеющиеся значения вязкости разрушения для заданного размера трещины.

Сквозные трещины при плоской деформации

 

Характеристикой материала, даже более важной, чем его трещиностойкость, является время распространения трещины. Полное время распространения почти не зависит от критического размера трещины, поскольку рост трещины на последнем этапе ее распространения происходит чрезвычайно быстро. Было проведено сравнение материалов с точки зрения времени распространения в них трещин от начального размера. Полученные результаты представлены на рис. 58. На этом рисунке для сравнения материалов использовано отношение напряжения к плотности, которое показывает, из какого материала можно было бы изготовить наиболее легкую конструкцию при данном сроке службы.

 

Рис. 58. Сравнение расчетных сроков службы по Хардрату

 

На рис. 59 показаны только те части каждой из трех поверхностей, которые возвышаются над двумя другими. Таким образом, наиболее легкую часть конструкции при одинаковом нагружении можно выполнить из того материала, которому соответствует данная часть составной поверхности. Высокопрочные стали предпочтительнее использовать только для очень маленьких начальных размеров трещин, т. е. в том случае, когда могут быть использованы чрезвычайно тонкие методы проверки.

О существенности начального размера трещины и незначительной роли, которую играет величина вязкости разрушения, уже говорилось ранее. На основе рис. 59 можно вновь прийти к заключению, что уменьшение минимального обнаружимого размера трещины есть наилучший путь увеличения срока службы. То же самое остается справедливым и для поверхностных раковин, как можно видеть на рис. 60. Уменьшение начального размера раковины от 5 до 1 мм приводит к удвоению расчетного срока службы. Увеличение вязкости разрушения в два раза практически не изменяет этот срок. С другой стороны, важным параметром является форма раковины: пологие раковины сокращают срок службы в большей степени, чем полукруглые трещины.

 

Рис. 59. Зависимость расчетного срока службы стальных емкостей давления от трех параметров

 

При плоском напряженном состоянии и в переходной области выбор материалов определяется еще одним фактором. Предположим, что материал А на рис. 60 выбран потому, что он имеет большую вязкость, чем материал D. Скорее всего этот материал имеет меньший предел текучести по сравнению с более хрупким материалом D. В результате этого допускаемое напряжение для материала А меньше, чем для материала D; это означает, что толщина элемента конструкции, выполненного из материала А, есть В₁, в то время как для материала D эта толщина была бы равна B₂. Поэтому в данном конкретном случае критическая интенсивность напряжений для материала D больше, чем для материала А. Критические размеры трещин для этих материалов соответственно равны:

 

(19)

 

Рис. 60. Выбор материала в переходной области:

А — большая вязкость, малое значение σ_ys;

D — малая вязкость, большое значение σ_ys

Оказывается, материал А превосходит по своим качествам материал D только в том случае, если (а_с)_A>(а_с) _D или если:

 

(20)

 

Соотношение (20), несомненно, является общим условием для выбора материала на основе критического размера трещины; однако в той области, где вязкость зависит от толщины, оно имеет особое значение.

При выборе материала на практике необходимо рассматривать множество других факторов, поскольку величина вязкости разрушения и процесс усталостного распространения трещины определяются многими переменными. Следует четко определить границы применимости данного материала.