Вязкость разрушения

Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при напряжениях, лежащих в упругой об­ласти, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины (трещиноподобные дефекты) или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции опреде­ляется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся острой (опасной) трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождению.

В основе испытаний на вязкость разрушения лежат положения линейной механики разрушения. Разработанные Д. Ж. Ирвиным положения позволяют оценить влияние трещин и подобных им дефектов на сопротивление материала хрупкому разрушению. Базой для развития линейной механики разрушения послужили работы Гриффитса, который показал, что хрупкое разрушение связано с наличием в материале трещин, вызывающих локальную концентрацию напряжений, и происходит в результате самопроиз­вольного движения этих трещин, поддерживаемого энергией, на­копленной в материале вследствие упругой деформации.

По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине тре­щины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ве­дущего конца трещины:

, (27)

где Y - безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины;

s_н - номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа;

с - длина трещины, мм.

Отсюда размерность К имеет вид: МПа^.мм^1/2.

Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти са­мопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения - достижение величиной К критического значения, т. е. К_с. Следо­вательно, если выполняется условие (21), то разрушения не произойдет.

Параметр Ирвина К_с определяют экспериментально. Чаще К_с определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва - перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих на­пряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К_1с [МПа^.м ^1/2] и назы­вают его вязкостью разрушения при плоской деформации.

Величина K_1C - вязкость разрушения - определяет способ­ность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэ­тому нередко K_1C называют трещиностойкостью. Чем выше зна­чение K_1C, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого ма­териала.

Критерий K_1C позволяет определить максимально допустимые напряжения в реальной конструкции s_кр при наличии трещины определенной длины или, наоборот, при данном рабочем напря­жении допустимую длину трещины без хрупкого разрушения конструкции.

Вязкость разрушения K_1C, как правило, тем ниже, чем выше предел текучести s_0,2.

Для сплавов титана показано, что при отношении K_1C/s_0,2 > 0,24 критическая длина трещины измеряется в сантиметрах и закритическое развитие ее исключено. При отношении K_1C/s_{0, 2} = 0,08…0,24 критическая длина трещины снижается до 0,1…1,0 см, а при K_1C/s_0,2 < 0,08 - до нескольких микрометров. Поэ­тому для повышения конструктивной прочности нередко отка­зываются от высокопрочных материалов вследствие низкого зна­чения их трещиностойкости K_1C и возможности хрупкого разру­шения.

Критерии вязкости разрушения чаще используют для харак­теристик высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов вы­сокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).

Величина K_1C является структурно чувствительной характе­ристикой металла.

Дата добавления: 2014-01-05