книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

1 мм). Поэтому задержка такого типа при отнюдь не макси­ мальной скорости разрушения, например 1000 м/сек, составляет 1 • 10"6 сек. Если проэкстраполировать кривые разрушения на ось времени, то наблюдаемые промежутки окажутся на порядок большими (1 — 6 • 10~5 сек). Можно предположить, что утяжка и трещина набирают скорость постепенно. Это, однако, для за­ каленных образцов неправдоподобно. Известно, что в закален­ ной и низкоотпущенной стали трещина стартует сразу с боль­

шой скоростью.

Рассмотрим еще одну возможность. Пусть обсуждаемый вре­ менной промежуток будет связан с упругим импульсом детона­ тора, отраженным от противоположного края образца. Время,

этого периода может быть оценена, если известны размеры об­ разца и скорость продольных волн в стали:

tx= — = l 10“ 5 сек; t2 = — = 1 10“ 5 сек,

где 1\ — полудлина и 12— полуширина образца.

Полученные значения t\ и t2 близки к опытным данным. Что касается времени, необходимого для создания зародышевой микротрещины, то оно, по-видимому, очень мало, тем более, что в закаленной стали трещины могут быть в исходном состоянии.

Таким образом, время концентрации напряжений в вершине трещины, как видно из рис. 43, с ростом напряжений в объеме уменьшается. Это одна из причин, определяющих большую ско­ рость роста трещины при большей упругой напряженности материала.

102

В стали 65Г (см. рис. 44) наблюдаются качественно те же закономерности, что и в стали ШХ15, но средние скорости, отме­ ченные здесь, меньше и не превышают 1500 м/сек. В случае образцов в состоянии поставки скорости разрушения (менее 850 м/сек) близки к скоростям трещин при динамическом изгибе стали.

В заключение отметим, что разрушение в нашем случае мо­ жет быть описано по Ирвину как квазихрупкое, т. е. разруше­ ние с высоколокализованной деформацией, сконцентрированной в непосредственной близости от трещины.

4. РОСТ ТРЕЩИН ПРИ РАЗРЫВЕ КРЕМНИСТОГО ЖЕЛЕЗА

Образцы трансформаторной стали размером 700Х 100x3,5мм вырезали из листа. Крупными пакетами по 20—30 штук их поме­ щали в хорошо герметизированный ящик из жаропрочной стали и отжигали в пламенной печи при 1080 и 1300° С в течение соот­ ветственно 10 и 15 ч. После отжига полосы имели мелкое (до 1—2 мм) и крупное (до 20—30 мм) зерно. В последнем случае по толщине образца было по два плоских зерна. Размеры зерна по ширине образца колебались в довольно значительных пре­ делах: наименьшими были зерна в середине образца (10 мм)\ наибольшими — по краям полосы (20—30 мм). Растяжение и киносъемку [203] проводили методом, описанным в п. 2.

Следует отметить влияние предшествующей деформации на начало разрушения мелко- и крупнозернистой стали. Предел текучести у мелкозернистой стали был выше, и если детонатор взрывался при малой степени пластической деформации, то тре­ щина не росла — возникал лишь небольшой участок пробоя. Для разрушения необходимо было глубоко «заходить» в пласти­ ческую область и работать при напряжениях 400—480 Мн/м2 (40—48 кГ/мм2). У крупнозернистых образцов трансформатор­ ной стали переход к быстрому разрушению происходил при меньшей степени пластической деформации. Работа была зна­ чительно проще, так как образец рвался в широком интервале напряжений от 180 Мн/мм2 (18 кГ/мм2) и выше.

Покадровая обработка фильмов разрыва мелко- и крупно­ зернистой стали позволила выявить следующие особенности про­ цесса (рис. 46). Разрушение начинается с некоторой задержкой, определить которую точно нельзя и можно оценить лишь при­ ближенно примерно в 4 - ^ 5 ‘ Ю-5 сек. Если кривую длина тре­ щины — время для закаленных сталей, для которых она отно­ сительно монотонна, можно экстраполировать на ось времени, то для трансформаторной стали это допустимо лишь грубо качественно из-за. необычайной неравномерности роста трещины.

Участки активного и пассивного роста трещины чередуются. Скорость ее на первых может достигать 1000—2500 м/сек, а на

103

вторых она нередко равна нулю. Эти остановки могут быть очень продолжительными и достигать 5 • 10-5 сек. Скачкообразность роста трещины в равной степени проявляется при различной величине зерна трансформаторной стали. Что же касается мак­ симальных скоростей трещины, то они оказываются более высо­ кими в мелкозернистом металле (до 2600 м/сек). По-видимому,

L.MM

Рис..46. Рост трещин в трансформаторной стали со временем:

1, 4, 5, 7— 11 — крупнозернистая сталь; 2, 3, 6 — мелкозернистая сталь

это связано с различной степенью предшествующей пластической деформации. Существует тенденция к росту скорости (максимальной и средней) с увеличением растягивающих напря­ жений. Более интенсивна она в случае мелкозернистого металла: здесь скорость при двукратном изменении напряжений возра­ стает в три раза. Следует, однако, отметить, что эта тенденция проявляется не столь отчетливо, как, скажем, у закаленной высокоуглеродистой стали. Вследствие низкого уровня пласти­ ческой деформации у закаленной стали упругие напряжения дей­ ствуют в относительно чистом виде. В трансформаторной же

104

стали в той или иной степени проявляется пластическая дефор­ мация. Поэтому четкого влияния напряжений на скачкообраз­ ность не обнаруживается. Последняя существует при любых упругих полях. Исходя из этого, в описываемом случае разру­ шения сравнительно вязкой трансформаторной стали следует говорить о влиянии на скорость трещины не упругих напряже­ ний, а пластической деформации, с ростом которой темп раз­ рушения увеличивается.

Внешний вид разрушенных образцов свидетельствует о слож­ ном ступенчатообразном характере движения трещины. Пере­ мещаясь скачками, что связано с крупнокристаллической струк­ турой стали, трещина способна выкалывать из массива отдель­ ные зерна.

5. РОСТ ТРЕЩИН ПРИ РАЗРУШЕНИИ СТЕКЛА

Исследование проводили [152] на фотостекле размером 180X240 мм. Образцы нагружали по схеме чистого изгиба. После

меры 2 м весь образец попадал в поле съемки. С ростом вели* чины упругих напряжений средние зарегистрированные скоро­ сти растут до 1400—1500 м/сек (рис. 47).

6.ПРЕДЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ

ИВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Суммируя результаты настоящей главы, можно утверждать, что наибольшие из известных скоростей разрушения приближа­ ются к скорости, составляющей 0,38 скорости продольных упру­ гих волн в стали. Это показано на широком круге материалов (табл. 5).

105

[186]кло

106

П ро д о л ж ен и е табл. 5

* Скорости, полученные на отдельных трещинах.

107

Достижение подобных скоростей трещины обусловлено

восновном приложением достаточной энергии для ее движения.

Вбольшинстве исследований это условие не выполнялось. На­ пример, в ранних работах по разрушению стекла и металлов почти всегда использовали образцы с надрезом. Наличие над­ реза понижало внешние напряжения, необходимые для разру­ шения, что сказывалось на общем запасе упругой энергии и предельная скорость распространения трещины была занижен­ ной. В этом отношении схема испытания, примененная в рабо­ тах автора, имела значительные преимущества, поскольку позво­ ляла проводить разрушение ненадрезанного образца, находяще­ гося непосредственно перед появлением трещины уже под боль­ шим напряжением. Кроме того, сам взрыв детонатора сообщал определенную энергию, способствовавшую разрушению.

Может возникнуть вопрос, не происходило ли переносного разрушения, т. е. образования перед фронтом основного разру­ шения изолированных трещин, обусловленных ударной волной, созданной взрывом электродетонатора, и последующего слияния этих трещин с магистральной. Такой процесс, имей он место, привел бы к большим скоростям разрушения, не имеющим от­ ношения к обсуждаемому вопросу. Рассмотрим в этой связи разрушение стальных образцов, на поверхности которых уста­ навливался и взрывался детонатор.

Прежде всего, на образцах было крайне ограниченное число трещин (1—5), каждая из которых, как показало макро- и мик­ роскопическое изучение, представляла собой монолитное вскры­ тие, располагавшееся на микроскопической шейке, т. е. в зоне локализованной пластической деформации. По обе стороны от

микроутяжки и трещины никаких подобных явлений не воз­ никало. Отсутствие каких-либо трещин в массиве было подтвер­ ждено микроскопическим исследованием сечения многочислен­ ных разрезанных, ранее уже испытанных образцов. Вместе с тем, если бы упругая волна от детонатора могла создавать изолиро­ ванные трещины, то они существовали бы в различных участках образца. По-видимому, энергия детонатора была недостаточна для образования такого рода разрушений.

Кроме того, переносное разрушение не лимитировано скоро­ стью, составляющей 0,38 от скорости упругих волн, и может, очевидно, распространяться значительно быстрее — со скоростью продольных упругих волн. Это наблюдал ранее Шардин [30], не­ однократно это явление на стекле наблюдали и в нашей лабо­ ратории. Следует отметить, что автор и И. А. Куткин предпри­ нимали попытки получить скорости, превышающие рэлеевский барьер. С этой целью трещину на растянутом стальном образце инициировали не одним, а двумя и тремя детонаторами. Однако ни в одном случае средняя скорость разрушения не была больше 2300 2500 м/сек.

108

Несколько раз отмечалось появление в непосредственной бли­ зости от очага взрыва трещин, перемещающихся со скоростью до 2800—3000 м/сек. Это явление связано с непосредственным действием ударной волны детонатора на растущую зону локали­ зованной пластической деформации и трещину. Известно, что при импульсном приложении нагрузки трещины резко ускоря­ ются. По оценке Г. П. Черепанова [287], длина трещины после прохождения импульса интенсивностью Р возрастает как

С удалением от места взрыва интенсивность волны уменьшается и вступает в действие основная причина роста трещины — упру­ гая энергия, аккумулированная в образце и испытательной машине. Именно под влиянием этой энергии трещина разгоня­ ется и приобретает большие скорости.

При опытах на стекле в нескольких измерениях [152] была зарегистрирована скорость распространения трещины 3000 -f- -s- 3300 м/сек, что близко к скорости распространения упругих волн. Весьма интересно, что эту скорость развила не сквозная, а тонкая поверхностная трещина. Еще большие скорости на­ блюдали Де Ногер и Поллак [149]. Они исследовали неустановившиеся трещины в стеклянных пластинках, находящихся под действием поперечной нагрузки. Ритм распространения разруше­ ния оказался зависящим от общего запаса упругой энергии пластины и ее распределения. Достигнуты скорости в 4000 м/сек.

Исходя из изложенного можно считать достаточно определен­ ным, что трещины, растущие в результате поступления упругой энергии из резервуара образца при относительно стабильном ре­

импульсном режиме, когда скорость подвода энергии опреде­ ляется энергией импульса и может существенно превышать есте­ ственное энергоснабжение из объема нагружаемого и разру­ шающегося образца, предельные скорости могут возрастать до максимального теоретического потолка 0,5 vL + 0,92 vt, т. е. до 2900—3000 м/сек для стали и стекла. По-видимому, этим ско­ ростям отвечает нестабильная трещина, скорость которой пуль­ сирует.

Может ли скорость трещины превышать рэлеевскую? По мнению В. М. Финкеля [295], релаксация упругих волн в окрест­ ностях вскрывающейся трещины ведет к возникновению на ее полостях поверхностных волн рэлеевского типа. Стекающие по трещине импульсы поверхностных волн способствуют концентра­ ции напряжений в вершине быстро растущей трещины. По­ скольку в рамках этих представлений энергопитание трещины осуществляется упругими импульсами Рэлея и Стоунли, ско­

109

рость распространения разрушения не может превышать скорости поверхностных волн на полостях трещины, т. е. (0,92 -М)и<. Вместе с тем создается впечатление, что если бы удалось осу­ ществить энергоснабжение вершины трещины каким-либо дру­ гим путем, со скоростью, превышающей рэлеевскую, трещины можно было бы ускорить и до больших (сверхрэлеевских) скоростей.

Согласно Г. И. Баренблатту, около 0,92 vt наступает некото­ рое резонансное состояние, ограничивающее скорость трещины. Поскольку такое положение не связано с каким-либо принци­ пиально непреодолимым барьером, можно надеяться, что дейст­ вительный потолок скоростей отличается от приведенного. Од­ нако точное установление этого —дело будущего.

Кратко остановимся на временном промежутке, отделяющем момент приложения нагрузки от появления видимой трещины.

Этот промежуток из термодинамических соображений был предсказан Я. Б. Фридманом [288], по мнению которого, в слу­ чае пластической деформации и разрушения следует различать четыре кинетических периода. Первым из них, по терминологии Я. Б. Фридмана, является инкубационный, или начально-уско­ ренный. Подобный временной интервал отмечался в нашем Ис­ следовании при разрушении на изгиб надрезанных стальных пластин (до 650-10-5 сек), при разрушении ненадрезанных и надрезанных стекол (до 360'10-5 сек) и, наконец, при взрыв­ ном возбуждении разрушения растягиваемой стальной полосы

в форме распространения пластической волны; 3) задержкой,

зарегистрированная задержка разрушения вызвана действием первых двух причин. Третья причина — образование микротре­ щин — не требовала особого времени, поскольку они в очень большом количестве возникали в процессе распространения пла­ стической волны на дне надреза. Типично вязкий характер раз­ рушения и сравнительно низкие его скорости вели к относи­ тельно большой длительности разрушения, по сравнению с ко­ торой время, необходимое для концентрации упругих напряжений, было ничтожным и не определяло явления.

При разрушении закаленной стали очевидно практическое отсутствие влияния второго фактора, так как трещина растет, лйшь незначительно отставая от локализованной в микрошейке пластической деформации. Согласно работе Вуда и Кларка [237],

110