10.4 Розкриття тріщини та її роль в оцінці в'язкості руйнування пластичних матеріалів
Для пластичних і в'язких матеріалів, у яких не вдається достатньо коректно визначити не тільки значення К1с , але і значення Кс, розроблена ще одна локальна характеристика опору матеріалу руйнуванню – критичне розкриття тріщини ?с. Критерій руйнування при цьому формулюється таким чином: граничний стан настає, коли виконується умова
? ? ?с,
де ? – відстань між поверхнями тріщини біля її
вершини (розкриття тріщини);
?с – критичне розкриття тріщини, при якому
починається зростання тріщини.
На відміну від коефіцієнтів К1с і Кс (G1c і Gс), які є силовими критеріями руйнування, параметр ?с є деформаційним критерієм, який можна розглядати як локальну пластичність особливих точок зразка з тріщиною. Таким чином, величина ?с передбачає наявність зони пластичної деформації біля вершини тріщини, що має форму вузького клину з шириною, що не перевищує товщини матеріалу. Така пластична зона виникає поблизу вершини тріщини при плоскому напруженому стані й невисоких напруженнях. Характер руйнування (прямий або косий злам) не впливає на визначення величини ?c. Це пояснюється тим, що величина критичного розкриття визначається на початковій тріщині до початку її просування. Величина ?с, як і величина Кс, на відміну від параметра К1с не є константою матеріалу. Вона залежить не тільки від температури і швидкості навантаження, але і від товщини зразка.
Експериментально критичне розкриття тріщини визначають шляхом точного вимірювання відносного зміщення ?с у процесі згинального навантаження двох зручних для вимірювання точок зразка, розміщених по обидві сторони від попередньо вирощеної в гострому надрізі втомної тріщини. За значенням ?с визначають величину істинного розкриття тріщини біля її вершини ?с, припускаючи, що тріщина розкривається шарнірним поворотом матеріалу навколо осі, що проходить через середину висоти непошкодженої частини перетину. У разі руйнування зразка при зростаючому навантаженні вимірювання ?с проводять за діаграмою навантаження-зміщення, записаною на двокоординатному самописці, в точці максимального навантаження, а за наявності стрибка на діаграмі – у момент досягнення максимального навантаження. Точність визначення ?с, як правило, невелика, проте вона достатня для порівняльної оцінки матеріалів, необхідної для вибору оптимального хімічного складу сталі або найперспективнішої технології термічної обробки.
Перевага параметра ?с перед коефіцієнтами К1с і Кс полягає у тому, що він може бути визначений для ширшого кола матеріалів і розмірів зразків. Незважаючи на те, що локальна пластичність біля вершини тріщини не може повністю характеризувати надійність матеріалу, критичне розкриття тріщин є однією з корисних характеристик, використовуваних у поєднанні з іншими для комплексної оцінки надійності пластичних матеріалів. Цей критерій найбільш доцільно використовувати для оцінки схильності до крихкого руйнування тих матеріалів, які руйнуються після проходження деякої загальної пластичної деформації (не дуже значної), відповідно ділянці АА' на кривій деформації (рис. 10.7).
Однією з головних переваг методу визначення критичного розкриття тріщин є можливість прогнозувати поведінку матеріалу в конструкції, де за заданих умов навантаження, як було показано експериментально, руйнування відбувається при тому самому критичному розкритті тріщин, що і в лабораторних зразках аналогічної товщини. Тому цей метод широко використовується для оцінки надійності зварних конструкцій, ємностей під тиском і т. д. Дані про критичне розкриття тріщин використовують при виборі матеріалу для роботи в певних умовах, а також для визначення допустимих напружень, при яких тріщина заданої довжини або який-небудь інший дефект не є небезпечними.
Рисунок 10.7 – Області використання критеріїв К1с і критичного розкриття тріщини для оцінки її схильності до крихкого руйнування
