2.2 Требования к размерам образцов

К размеру образца предъявляются строгие требования. Это вызвано необходимостью соблюдения условия плоского деформирования материала при вершине трещины. Толщину образца следует выбирать большей размера зоны пластичности, иначе образуется плоское напряженное состояние. На поверхности образца всегда образуется область плоского напряженного состояния, поэтому, для того чтобы плоская деформация играла главную роль, область плоского напряженного состояния должна быть относительно малой.

Необходимо, чтобы толщина образца была намного больше размера зоны пластичности. Поскольку этот размер пропорционален это требование означает, что толщина B должна удовлетворять неравенству Согласно рис. 40, согласованные значения К_Ic получаются, если а>≈2,5; это значение а принято в качестве требования ASTM. При меньших значениях а области плоского напряженного состояния на поверхности образца сравнительно велики и имеют большое влияние на процесс распространения трещины; это приводит к тому, что наблюдаемая величина вязкости разрушения превышает действительное значение K_Ic для плоской деформации.

Рис. 40 Влияние толщины образца на измеренное значение K_Ic для легированной стали

Подобное условие предъявляется и к размеру трещины: зона пластичности должна быть мала по сравнению с длиной трещины. Это накладывает ограничение на относительную длину трещины. Существует также другая важная сторона этого вопроса, накладывающая ограничение на абсолютный размер трещины. Из соотношения между напряжением разрушения и размером трещины следует, что при малых значениях a величина σ_с становится бесконечной. В действительности этого не происходит, поскольку при а = 0 величина σ_с = σ_u как показано на рис. 41. Если размер трещины меньше, чем а_min (рис. 41), то разрушение произойдет при меньшем напряжении, чем напряжение, вычисленное из коэффициента K_Ic. Разрушение в точке A привело бы к тому, что за величину K_Ic была бы принята величина, равная Если бы разрушение могло произойти в точке B (рис. 41), то результат был бы Это означает, что наблюдаемое значение K_Ic для такого образца меньше, чем действительное значение K_Ic; испытание такого образца привело бы к ошибочному результату.

Рис. 41. Минимальный размер трещины

Рис. 42 показывает, что для обеспечения получения согласованных значений K_Ic необходимо, чтобы размер трещины а был больше или равен Полученные при испытании образцов с маленькими трещинами данные о значениях K_Ic превышают действительное значение K_Ic, что противоречит рис. 41. Расхождение произошло из-за того, что относительный размер трещины (по сравнению с размером зоны пластичности) был слишком мал; при этом абсолютный размер трещины мог быть достаточным.

Рис. 42. Влияние размера трещины на измеренное значение КIc для легированной стали

Совершенно очевидно, что обе величины, B и a, должны быть больше, чем Если размер зоны плоской деформации принять равным то отсюда следует, что величины a и B должны быть по крайней мере в 25 раз больше ширины зоны пластичности. Соответствующим образом выбираются и другие размеры образца, а именно W = 2а, причем 2B < W < 4B. Длина образца, работающего на изгиб, равна 4W, а длина компактного образца, предназначенного для растяжения, равна 1,2W.

В этих требованиях предполагается, что для получения требуемых размеров образца необходимо оценить ожидаемое значение K_Ic до испытания. Затем проводится испытание и с помощью уравнений (1) и (2) определяется значение K. Это значение K обозначают через K_Q; оно является предполагаемой величиной вязкости разрушения. После этого размеры а и В сравнивают с величиной Если эти размеры достаточно велики, то K_Q есть определяемая величина К_Ic при условии, что удовлетворены все остальные условия; если нет — результат неверен.