книги / Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению

ствующие предельные прямые tm&1L = tb и 5 ^ = 5 ,,. Каж­ дому виду напряженного состояния на этой диаграмме соответствует луч, проведенный через начало координат,

В последнем случае возникает объемное неравномерное растяжение и уровень касательных напряжений снижа­ ется по сравнению с нормальными; tg a при этом ока­ зывается меньше, чем при одноосном растяжении.

На рис. 1.4,6 нанесена также в координатах «Лпах—ушах» единая кривая деформирования. Пересече­ ние лучей с предельными прямыми на диаграмме меха­ нического состояния характеризует разрушение: для слу­ чаев / и II — от среза, для случаев III и IV — от отрыва. При соответствующих значениях напряжения tmах по кривой деформирования можно определить дефор­ мации, сопутствующие разрушению. Чем больше напря­ женное состояние приближается к всестороннему растя­ жению, тем меньше оказывается пластическая деформа­ ция при разрушении, и вязкое разрушение сменяется хрупким. Отсюда следует, что на образование хрупкого состояния влияет тип напряженного состояния материа­ ла: так возрастание нормальных растягивающих напря­ жений по сравнению с касательными повышает склон­ ность материала к хрупкому разрушению.

При объемном сжатии касательные напряжения уменьшаются по сравнению с нормальными так же, как и при объемном растяжении. Однако напряжения сжа­ тия способствуют увеличению пластических деформаций при разрушении и соответствующих им предельных на­ пряжений. Это подтверждено экспериментами Бриджме­ на по разрушению металлов при высоких гидростатиче­ ских давлениях. Для получения хрупких разрушений, связанных с эффектом объемного растяжения, приме­

с представлениями А. Ф. Иоффе (рис. L5), объясняется существенным возрастанием при понижении температу­ ры Т сопротивления пластическим деформациям и при-

ближением предела текучести S T к истинному сопро­ тивлению разрыву S K (которое с понижением темпера­ туры может считаться постоянным). При достижении критической температуры Т* предел текучести S T и пре­ дел прочности «SB (соответствующий максимальному со­ противлению равномерному пластическому деформиро-

ванию) достигают истинного сопротивления разрыву; при этом сужение шейки ф приближается к нулю. Таким образом, при температуре испытаний Т, равной крити­ ческой Т*, возникает хрупкое разрушение в пределах упругих деформаций металла; критерием такого разру­ шения является нормальное растягивающее напряжение.

Повышение скорости деформирования ê= d e/d x (где х — время) также способствует возникновению хрупких состояний. Согласно представлениям П. Людвика, это объясняется повышением сопротивления пластическим деформациям с ростом è (рис. 1.6). Если сопротивление упругим деформациям мало зависит от скорости дефор­ мирования, то сопротивление образованию пластических деформаций существенно увеличивается по мере повы­ шения скорости деформирования (особенно у малоугле­ родистых сталей). Кривая деформирования в упруго­ пластической области по мере увеличения è становится, как правило, более пологой и пересекает прямую 5 = 5 К

(величина 5 К рассматривается как не зависящая от ско­ рости деформирования) при небольших предельных де­ формациях. Таким образом, с увеличением скорости деформирования уменьшается пластическая деформация, сопутствующая разрушению, т. е. разрушение становит­ ся более хрупким.

Сочетание объемного растяжения, понижения темпе­ ратуры и повышения скорости деформирования способ­ ствует образованию хрупких состояний и использовано в методах серийных испытаний на ударную вязкость по Шарли и Менаже. По результатам этих испытаний стро­ ят температурные зависимости удельной энергии разру­ шения при ударном изгибе образцов с надрезом. Удар­ ные испытания образцов с надрезом позволяют оценить склонность материала к образованию хрупкого состоя­ ния с понижением температуры, которая характеризует­ ся как хладноломкость.

Существенную роль в образовании хрупкого разру­ шения играет исходное состояние металла, зависящее от металлургических процессов получения и технологии его дальнейшей обработки. Увеличение размера зерен и ослабление прочности их границ приводит к уменьше­ нию 5 к и, следовательно, к повышению критической тем­ пературы и снижению уровня критических напряжений при хрупком разрушении (см. рис. 1.5). Повышение со­ противления срезу и уменьшение сопротивления отрыву в результате повышения содержания углерода в стали, понижения температуры отпуска, а также легирования (повышающего отношение предела текучести 5 Т к сопро­ тивлению разрыву S K) увеличивают склонность к хруп­ кому разрушению. Этот эффект наблюдается также после деформационного старения при длительной службе ме­ талла в напряженном состоянии при повышенной тем­ пературе, наводороживания, радиационного воздействия, накопления циклического и коррозионного повреждений. Указанные эксплуатационные факторы понижают пла­ стичность, прочность границ зерен и сопротивление раз­ рыву.

Сопротивление деформациям S T, 5 В и разрыву 5 К зависит от абсолютных размеров сечений образцов или деталей. Так как разрушения по условию (1.7) являются хрупкими или квазихрупкими, им сопутствуют незначи­ тельные пластические деформации. Для таких разруше­ ний существенное значение приобретает структурная неоднородность материала, влияние которой можно оце­ нить количественно на основе гипотезы «слабого звена», предложенной В. Вейбуллом. Эта гипотеза позволяет оценить влияние размеров сечений на критические на­ пряжения хрупкого разрушения. Распределение вероят­ ности критических напряжений ак (при хрупких и ква-

Зйхрупкнх разрушениях условные напряжения а близки

к истинным 5) определяется выражением

где v/vo — отношение равномерно напрягаемого объема

кнекоторому, характерному для данного материала va*

и— минимальная прочность наиболее «слабого звена»

этого материала; Со и т — параметры распределения, характеризующие материал, причем т — показатель его

однородности.

По уравнению (1.8) проводят вычисление средних

значений критических напряжений Ок (для вероятности i3 = 0,5) в зависимости от относительного напрягаемого объема v/vo по параметру т. Такая зависимость схема­

тически показана на рис. 1.7. Значения ак асимптотиче­ ски приближаются к минимальной прочности и по мере увеличения напрягаемых объемов. Полагая и_в первом приближении малой величиной, зависимость ак от v/üo можно представить в виде

ôK= o K0(vjü0)~llm,

Где — среднее значение ок для объема v„. Уменьшение критического напряжения, характеризующего сопротив-

для больших сечений — сплошной линией. Прииспыта­

ниях на изгиб соответствующий луч для больших сече­ ний элемента конструкции вначале пересекает верти­ кальную границу 2 и характеризует хрупкое разрушение при упругих деформациях, отмеченных на оси абсцисс

диаграммы деформирования. Для малых сечений этот луч пересекает сначала горизонтальную границу что соответствует вязким разрушениям и повышенным де­ формациям Ушах.

При испытаниях на кручение и для больших и для малых сечений характерно вязкое разрушение. Таким

образом, для данного напряженного состояния возмо­ жен переход от вязкого состояния к хрупкому в резуль­ тате увеличения сечений. В связи с этим можно ввести понятие о критическом размере сечения наряду с крити­ ческими температурой и объемностью напряженного со­ стояния. На рис. 1.9 схематически представлены резуль-

Рис. 1.9. Зависимость предела текучести и разрушаю­ щего напряжения от площади поперечного сечения и концентрации напряжений

тэты испытаний на изгиб надрезанны х образцов из

малоуглеродистой стали при заданной (комнатной) тем­ пературе. Образцы имели различную концентрацию на­ пряжений, характеризуемую теоретическими коэффици­ ентами концентрации напряжений ая. Зависимость пре-

вязкости разрушения наряду с emax), à также пределы текучести сгт и прочности <тв гладкого стандартного об­ разца. Как следует из диаграммы, характеристика F B оказывается наиболее чувствительной к изменению ха­ рактера разрушения с понижением температуры Т. Ее резкое уменьшение соответствует началу снижения ха­ рактеристик пластичности ф и еШахПредел прочности ав (в условных напряжениях) как характеристика со­ противления предельным равномерным деформациям при понижении температуры испытаний увеличивается в меньшей степени, чем предел текучести от. Температу­ ра резкого уменьшения Ёв и начала уменьшения ф и £тах характеризуется как температура перехода от вяз­ кого к квазихрупкому состоянию, т. е. состоянию, при котором поверхность разрушения становится кристалли­ ческой, резко уменьшается пластичность, но разрушаю­ щие напряжения остаются выше предела текучести. Тем­ пература такого перехода характеризуется как первая критическая температура перехода ГКрь

Дальнейшее снижение температуры в области квазихрупких состояний приводит к падению еШах и особенно ф (до значений 5% и ниже), одновременно уменьшается ак, а от, увеличиваясь, достигает значения ок. При значительном сокращении имеющейся перед разру­ шением пластичности наступает резкое уменьшение ок (в два и более раза меньшее, чем для вязкого состоя­ ния). Область температуры, при которой в дальнейшем наблюдается такое же уменьшение разрушающих на­ пряжений, характеризуется как область хрупких состоя­ ний. Температура перехода от квазихрупкого состояния к хрупкому называется второй критической температу­ рой ГКР2 и устанавливается из условия ак= а т. Кроме того, согласно схеме, представленной на рис. 1.5, следует выделить температуру Т*, при которой в истинных зна­ чениях напряжений выполняется условие 5 T= S B= S K и разрушение в макроскопическом смысле происходит в пределах упругих деформаций. При этой температуре истинные напряжения практически равны условным

(От г ~ Ов = Ок) .

Значения критической температуры, особенно второй, существенны при определении сопротивления элементов конструкций хрупкому разрушению. Эксплуатация этих конструкций в области хрупких состояний приводит к большому снижению (на десятки процентов) предель-

ных нагрузок (несущей способности), повышенной чув­ ствительности к размерам сечений и динамичности на­ гружения, а следовательно, к повышенной опасности быстро протекающих хрупких разрушений при расчет­

ных нагрузках..

Значения 7кр) и Ткр2 заметно повышаются с увеличе­ нием размеров сечений и при росте площади на 3 по­

стояний около дефектов и зон концентрации), а не дли­ ны элементов конструкций. Вопросы экспериментального определения первой и второй критической температуры для образцов материала и элементов конструкций с уче­ том основных конструктивных, технологических и экс­ плуатационных факторов более подробно рассмотрены

в § 3.

Данные § 3 относятся к случаю, когда в образцах и элементах конструкций имеются исходные дефекты типа трещин, от которых начинается хрупкое разрушение.

Критическая температура хрупкости при наличии конструктивной концентрации напряжений, характери­ зуемой теоретическим коэффициентом концентрации на­

ДГКрг критической температуры для малоуглеродистых и низколегированных сталей в зависимости от а, для удар­

ного (кривая 1) и статического (кривая 3) изгиба об­ разцов материала сечением 10X10 мм, а также для статического растяжения образцов толщиной 10— 20 и шириной 50— 600 мм (кривая 2). Наиболее существен­ ным повышение критической температуры оказывается