2 Вязкость разрушения при плоской деформации
2.1 Стандартное испытание
Процедура испытаний на вязкость разрушения при плоской деформации стандартизована. На первый взгляд, необходимость в стандартном испытании кажется странной. Вследствие универсальности концепции, связанной с коэффициентом K, для таких испытаний подходит любой образец с трещиной, для которого может быть вычислен коэффициент K. Однако для того, чтобы при вершине трещины получить плоскую деформацию, необходимо выполнить несколько требований. Эти критерии определяет стандарт ASTM. Кроме того, существуют стандарты для других механических испытаний, например для испытания на растяжение. Эти стандарты необходимы в том случае, когда нужно производить материал с заданными специфическими свойствами.
Большая работа по установлению стандарта на испытание для определения KIc была проведена Сроули и Брауном. Для получения критериев, гарантирующих согласованность результатов испытаний, понадобилась большая программа испытаний. Были рекомендованы образец для трехточечного изгиба и компактный образец для растяжения, показанные на рис. 36. Приведем выражения коэффициентов К:
для образца, работающего на изгиб (обозначения приведены на рис. 36),
|
(1) |
для компактного образца, работающего на растяжение,
|
(2) |
Рис. 36. Стандартные образцы, работающие: а — на изгиб: б — на растяжение
Образцы должны иметь усталостные трещины, а для обеспечения образования трещины в нужном месте — стартовые выточки. В элементах конструкций, имеющих большую толщину, усталостные трещины чаще всего образуются в углу (рис. 37, а). Это приводит к тому, что трещина имеет невоспроизводимый изогнутый фронт, непригодный для стандартного испытания. Этого можно избежать, делая в образцах шевронную выточку (рис. 37, б). Наличие такой выточки приводит к образованию трещины в центре образца, что повышает вероятность образования сравнительно прямого фронта трещины. Образцы с выточкой имеют дополнительное преимущество, заключающееся в почти немедленном образовании трещины при приложении циклических нагрузок.
После испытания можно легко определить размер и форму усталостной трещины. Область усталостного разрушения и область окончательного разрушения имеют различную форму поверхности, а поэтому по-разному отражают падающий свет, что делает их легко различимыми, как видно из рис. 38. Стандарт определяет длину трещины (рис. 37, б) по формуле а = (а1 + а2 + а3)/3, и если а1, а2, или а3 отличаются от а более чем на 5 %, то испытание считается непригодным. Испытание также считается непригодным, если размер трещины на поверхности отличается от a более чем на 10 % (иногда трещина отстает от сдвиговых губ) и если любая часть фронта трещины находится от выточки ближе, чем наименьшая из величин 0,05а или 1,3 мм.
Рис. 37. Стартовые выточки: а — нормальная краевая; б — шевронная
Рис. 38. Образцы для определения вязкости разрушения при плоской деформации:
поверхности разрушения работающих на изгиб образцов, выполненных из титановых сплавов (а, в, г)
и из алюминиевого сплава (б); N — шевронная ниточка; P — зона усталостного разрушения;
К — зона окончательного разрушения; S — губы сдвига
Для того чтобы усталостная трещина была острой, предъявляются требования также к циклической нагрузке. Наиболее важное из них заключается в том, чтобы максимальная интенсивность напряжений за время цикла не превышала 60 % от величины KIc; как видно из рис. 39, только при достаточно острой вершине трещины получаются согласованные значения KIc. Большая величина K в процессе образования усталостной трещины могла бы привести к слишком большому ее притуплению, а отсюда — к неверным оценкам значений KIc.
Рис. 39 Влияние уровня напряжения при усталостном разрушении на измеренное значение KIc
в алюминиевом сплаве 7075—7651 [4] (по данным ASTM)