загрузка...
 
7.3 Способи визначення роботи зародження і розвитку тріщини
Повернутись до змісту

7.3 Способи визначення роботи зародження і розвитку тріщини

Ударна в'язкість (ан) є інтегральною характеристикою і складається з питомої роботи, яка витрачається на зародження тріщини (аз) і її розвиток (ар). У той же час умови поглинання енергії металом у процесі зародження і поширення тріщини різні. До утворення тріщини енергія, що витрачається на руйнування зразка, сприймається значним макрооб'ємом. У зв'язку з цим кількість енергії, споживаної на утворення тріщини, як правило, перевищує ту невелику роботу, яка витрачається на деформацію незначного об'єму металу, прилеглого до устя тріщини при її поширенні. У міру переходу від утворення до розвитку тріщини змінюється також напружений стан, що викликає руйнування.

Зародження тріщини відбувається під впливом дотичних напружень, що викликають пластичну деформацію, приводять до руху дислокації і визначають дію їх джерел. Подальше руйнування, тобто поширення тріщини, викликається розтягувальними напруженнями, діючими в її усті.

Складові ударної в'язкості (аз, ар) по - різному залежать від марки сталі та її металургійної якості. Нерідко метали, що мають високий опір утворенню тріщини (високоміцні сталі) дуже слабо чинять опір її поширенню. Підвищення якості сталі за рахунок її рафінування синтетичними шлаками значно збільшує роботу, що витрачається на зародження тріщини, дуже мало змінюючи роботу, що витрачається на її поширення.

Оскільки металеві вироби можуть мати дефекти металургійного або зварювального походження, а також тріщини, що виникли в процесі експлуатації, важливим фактором, що характеризує працездатність виробів, є здатність металу чинити опір поширенню тріщини. Крім того, якщо в конструкції виникає складний напружений стан, то здатність її чинити опір руйнуванню характеризується опором металу поширенню тріщини. Коли напружений стан ускладнений і наближається до плоскої деформації, то характеризуэться сумарною ударною в'язкістю або опором утворенню тріщини.

Відмінність у стандартних  зразках  для  ударних випробувань  типу  I  (надріз  R = 1 мм)   і   типу     IІ  (надріз R = 0,25 мм) полягає у тому, що при гострому надрізі питома робота зародження тріщини, а разом із нею загальна питома робота на руйнування зразка при ударі ан помітно зменшуються і тим самим збільшується частка питомої роботи поширення тріщини, яка в цьому випадку практично не змінюється. Проте необхідно мати на увазі, що важливо не тільки одержати метал із підвищеною здатністю опору поширенню тріщини, в більшості випадків, як справедливо відмічено Л. С. Лівшицем і А. С. Рахмановим, а й добитися поєднання високого опору зародженню тріщини і розвитку наявного осередку руйнування, яке характеризується великою загальною питомою роботою руйнування  і свідчить про хорошу конструктивну міцність металу. Іншими словами, високе значення ан (KCU) при дуже малій здатності чинити опір поширенню тріщини  (більшість високоміцних матеріалів), або при дуже малій питомій роботі, що витрачається на утворення тріщини (деякі пластичні метали), не є оптимальним для більшості   сучасних конструкцій.

У зв'язку з необхідністю роздільної оцінки питомих робіт, що витрачаються на зародження і поширення тріщини, останніми роками було розроблено декілька методів роздільного їх визначення або визначення тільки питомої роботи, що витрачається на поширення тріщини.

Учені Л. С. Лівшиц і А. С. Рахманов запропонували оцінювати схильність до крихкого руйнування за питомою роботою, що витрачається на поширення тріщини в умовах ударних випробувань стандартних зразків з надрізом Менаже. Метод полягає у тому, що випробовується серія зразків на копрі із запасом енергії маятника, що постійно збільшується, і будується залежність кута згину зразків ?0 від поглиненої енергії (рис. 7.4).

 

Рисунок 7.4 – Спосіб розділення роботи, що витрачається на руйнування зразка, на роботу зародження тріщини і роботу поширення тріщини за Л. С. Лівшицем та А. С. Рахмановим

Дані експерименту показують, що кут згину зростає із збільшенням величини поглиненої енергії до певної межі ?max, а потім залишається сталим. Відрізок прямої, що відсікається, на осі абсцис при ?  = 0 характеризує роботу пружної деформації Aпружн.

Робота, що витрачається на зародження тріщини, складається із суми робіт пружної і пластичної деформації.

Метод Л. С. Лівшица та А. С. Рахманова зручний для наближеної оцінки роботи поширення тріщини, оскільки він припускає використання стандартних зразків і копрів.

Робота поширення тріщини

Aруйн  = Aп -  Апр    -    Адеф,

де  Ап – повна робота, витрачена маятником;

      Апр – робота, витрачена на пружну деформацію;

      Адеф – робота, витрачена на пластичну деформацію;

      Аруйн – робота, витрачена на поширення тріщини, тобто на залишкове руйнування. 

Точність оцінки роботи Аруйн обмежується через суб'єктивність визначення кута згину зразків, одержаного при з'єднанні двох половинок зразка, що зламався. Метод не враховує також, що енергія, яка йде на деформацію зразка, залежить від швидкості навантаження, тобто висоти підняття маятника. Метод не можна застосовувати для сталей високої міцності, у яких унаслідок низької пластичності величина загального прогинання зразків перед руйнуванням менше 1 мм.

За методом А. П. Гуляєва випробовують декілька ударних зразків, що мають різний радіус округлення біля вершини надрізу (r). Після випробувань і підрахунку ударної в'язкості кожного зразка будується графік (рис. 7.5). Екстраполюючи пряму на вісь ординат, одержуємо питому роботу поширення тріщин КСр (?р). У цьому випадку зразок із радіусом надрізу близьким до нуля ототожнюється із зразком, що має втомну тріщину.

Таким чином, для оцінки надійності матеріалу потрібно використовувати якісні параметри (не придатні для розрахунку на міцність):

1) ударну в'язкість KCV і KCT;

2) температурний поріг холодноламкості Т50.

 

Рисунок 7.5 – Схема визначення складових ударної  в'язкості за методом А. П. Гуляєва

Дещо інший метод розділення повної роботи руйнування при ударному згині запропонував Отані. За цим методом серія стандартних зразків (тип 1) згинається на копрі на різний кут (шляхом зміни висоти підняття маятника) так, щоб у зразку утворилася тріщина, але він не зламався. Після цього зразки кладуть у яку-небудь фарбувальну рідину і фарбують поверхню тріщини, що утворилася при першому ударі. Потім зразки випробовують для звичайного визначення ударної в'язкості. На обох половинках зразка за забарвленням вимірюють довжину l тріщини, що виникла при першому ударі, оскільки вважається, що при другому ударі робота витрачається тільки на поширення тріщини. Критичний  розмір  тріщини  за  Отані становить 1 мм. За ударною в'язкістю при цій величині тріщини Отані визначає питому роботу поширення тріщини ?р.

У цій роботі пропонується проводити розділення ударної в'язкості на питомі роботи зародження і поширення тріщини не при l = 1 мм, а екстраполювати до нуля криву залежності питомої роботи, що витрачається на руйнування від глибини тріщини, і відлік значення ?р проводити   безпосередньо   на   осі   абсцис  с, тобто при lкр =  0.



загрузка...