Новые методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрушению
Ю.Н. Работнов (ред. перевода)
Мир, 1972 г.
ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ РАЗРУШЕНИЮ ПО КРИТИЧЕСКОМУ РАСКРЫТИЮ ТРЕЩИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Инженерная конструкция выходит из строя в том случае, когда она перестает отвечать назначению, для которого ее создали. Это может случиться из-за значительного изменения исходной формы, например при пластической деформации или от ползучести, из-за утечки через трещины или из-за полного разрушения самой конструкции. При классическом инженерном расчете наибольшее внимание уделяют первой возможности. Действительно, если бы все конструкции были совершенны с точки зрения их изготовления, то при таком подходе к расчету большая часть требований была бы удовлетворена. Но как известно из практики, во всех механических конструкциях есть какие-то дефекты и концентрации напряжений. В последние годы выяснилось, что более эффективное использование технических материалов требует умения оценить количественно условия, при которых конструкция разрушается, если в ней сделан определенный надрез или существует какой-то дефект. К сожалению, возможные виды разрушения, а также критерии контроля за ними неодинаковы для разных
Фиг. 1.1. Обобщенная диаграмма областей'приложимости критерия раскрытия трещины (РТ). Точка А отражает наступление общей текучести перед кончиком трещины.
не — от квазиупругого для хрупких материалов до вязкого для весьма пластичных. Разрушению в хрупком состоянии предшествует столь небольшая пластическая деформация, что напряженное состояние у надреза или дефекта можно рассчитать с помощью обычной теории упругости. В данном случае условия разрушения отображаются моделью, которая используется в линейной механике разрушения (получившей позднее название критерия Kic)- На другом краю интервала пластичности определить условия пластической неустойчивости помогают новые вычислительные методы.
Остаются материалы, разрушение которых характеризуется участком АВ на кривой нагрузка — перемещение (фиг. 1.1). Тот или иной дефект способен привести такой материал к быстрому разрушению при напряжении ниже предела текучести, подобному хрупкому разрушению на участке OA, но с той разницей, что значительная местная пластическая деформация перед разрушением лишает силы линейный упругий анализ напряжений. Таким образом, рассчитать условия разрушения по критерию KJCв данном случае нельзя. Разрушение подобного рода характерно для многих конструкционных материалов низкой и средней прочности с распространенной в настоящее время толщиной и при обычных условиях среды. В случае малоуглеродистой стали картина несколько усложняется зависимостью разрушения от скорости деформации, так как при быстром деформировании возможно возникновение быстро бегущих хрупких трещин даже тогда, когда начало таким трещинам положила медленная локальная деформация дефекта. К сожалению, методы неупругого анализа на современном уровне пока не позволяют рассчитать случаи напряженного состояния на участке АВ.
Преодолеть эту трудность можно, предположив, что конструкция разрушается от дефекта при условиях, когда деформация у дна надреза или дефекта достигает определенной величины. Поскольку речь идет о коротких и неопределенных расстояниях, условия разрушения удобнее выражать не через деформации, а через перемещения. Отсюда приходим к концепции критического раскрытия трещины б с> которое считается константой материала при заданных условиях по температуре, скорости деформации и толщине элемента. Критическое раскрытие трещины (КРТ) можно определить лабораторными измерениями на обычном образце, выбранном в качестве стандартного. Это позволяет прогнозировать условия разрушения реальных технических конструкций с конкретными дефектами, опираясь либо на соответствующие аналитические методы, где это возможно, либо на[экспериментальныетарировочные подходы. Попытки отыскать практический метод, который позволил бы с уверенностью выбирать материалы для стальных сварных конструкций с. учетом сопротивления быстрому разрушению и который был бы более обоснован, чем существующий эмпирический подход на основе ударных испытаний надрезанных образцов, привели к заключению, что оценка по раскрытию трещины перспективнее всех других методов. Од-, нако необходима дальнейшая работа, чтобы обосновать допущения, заложенные в модели, и разработать детальную процедуру испытаний, чтобы ее можно было воспроизвести в лабораторных условиях. Это позволило бы заложить основу для последующих разработок стандартов.
Все это побудило составить единую программу работ для ряда научно-исследовательских организаций и лабораторий. В настоящей статье обобщены главные результаты, достигнутые при выполнении упомянутой программы, которая подробно обсуждается в последующих разделах. В ней приведены также некоторые примеры приложимости методики раскрытия трещины к конструкциям и обсуждаются вопросы о ее развитии и возможной дальнейшей работе в данном направлении.