книги / Физика разрушения. Рост трещин в твёрдых телах

регистрации задержки текучести следует учитывать форму возмущающего импульса. Пренебречь ею, очевидно, можно лишь в том случае, если продолжительность импульса много меньше времени задержки. В описываемых опытах продолжительность и форму нагружающего импульса не оценивали. Это обстоятель­ ство не позволяет количественно судить о величине задержки пластической деформации и допускает лишь качественную ее оценку. В связи с этим на стали марок Ст. 3 и 25 можно уловить определенную закономерность: задержка течения возрастает с увеличением остроты надреза.

Известно [240, 241]: при импульсивном нагружении распро­ странение пластической деформации характеризуется волновым процессом, скорость которого определяется по динамической

области. Поэтому скорость пластической волны не может пре­ вышать скорость распространения продольного упругого им­ пульса — скорость звука.

Полученный экспериментальный материал позволяет рассма­ тривать деформацию изгиба пластин как волновой процесс. Об этом прежде всего свидетельствует факт постепенного вовлече­ ния сечений образца в деформацию. В связи с этим интересно следующее. Промежуток времени, за который определенная минимальная деформация охватывает все сечения с увеличением остроты надреза, уменьшается, например, у стали 25 от 80 • 10-5 (Л = 10 мм) до 30* 10"5 сек (А = 5 мм).

Это обусловлено или большой скоростью пластической волны в образцах с острым надрезом в начальный момент или, что вполне возможно, иной жесткостью удара, а следовательно, иными формой и продолжительностью импульса.

Как установлено, волна изгиба распространяется с перемен­ ной скоростью. В начальный момент деформирования средняя скорость волны наибольшая и, например, у сталей марок Ст. 3 и 25 достигает 1100 м/сек (рис. 36). Резкое снижение скорости для сталей в состоянии поставки при всех формах надреза на­ блюдается до угла изгиба 5—7°, после чего наступает относи­ тельная стабилизация вплоть до критического изгиба.

О какой волне идет речь? Только ли о волне пластической деформации? Очевидно, нет. В этом убеждает весьма интересное явление, наблюдавшееся у высокоотпущенных и термически не обработанных-образцов. Половинки разбитого образца, летящие

ввоздухе и уже не испытывавшие силового воздействия, слож­ ным колебательным движением выпрямлялись. По-видимому, это связано с разрядкой макроупругих напряжений, возникших

врезультате динамического изгибающего удара и снимающихся

82

после пробега магистральной трещины и потери связи между двумя половинами образца. Таким образом, помимо пластиче­ ской волны, существует волна упругая. Условия эксперимента

Рис. 36. Средняя скорость распространения упруго-пластической волны 1>пл в зависимости от угла изгиба уизг и характеристики

надреза для сталей 25 (а), 35 (б), 50 (в) и 65Г (г):

А — треугольный надрез; R — круглый надрез; индексы при А и R означают соответственно ширину и радиус надреза (мм)

не позволяют дифференцировать деформацию, создаваемую вол­

ной каждого вида.

Наиболее подробное исследование пластических волн в раз­ личных металлах при ударном нагружении в широком диапазоне

83

Рис. 37. Зависи

сечений от време угольного надре

84

скоростей при различных температурах выполнено Л. М. Шесто­ паловым [242]. Гензель и Шардин [243] рассмотрели распростра­ нение пластической поверхностной деформации в хромоникельмолибденовой стали при воздействии кратковременного точеч­ ного взрывного нагружения. Искровая киносъемка по методу Кранца—Шардина позволила установить, что распространение пластической деформации начиналось со скоростью, несколько меньшей скорости продольной упругой волны, и по мере про­ движения волны эта скорость уменьшалась. Средняя скорость пластической волны оказалась равной 2200 м/сек. Подобное же исследование было проведено Алленом [244] на литой стали. Он получил цифру 4600 м/сек. Изменение скорости пластической волны при взрывном растяжении стали наблюдали Е. Г. Дол­ матов и И. И. Ситников [245].

Для определения скорости пластических волн в стали Д. А. Кальнер [246] воспользовался методом разрушения тонкой нити поперечным ударом, который ранее разработал X. А. Рахматулин [247]. Тонкую аустенитную проволоку из стали с 0,20% С растягивали на нитяных подвесах и разрушали ударом со ско­ ростью 250—300 м/сек. От места удара вслед за упругой волной

мость длины трещины и угла пластического изгиба ряда ни для стали У8А с различной формой круглого и трсзов. Цифры на кривых — номера сечений

85J

бежит пластическая. В момент разрушения от места разруше­ ния направляется волна разгрузки со скоростью упругой дефор­ мации. Нагоняя волны пластической деформации, волна раз­ грузки останавливает их в том месте гибкой нити, где она их настигает. Отсюда, изучая сечение проволоки, можно вычислить соотношение между скоростями упругих и пластических дефор­ маций и связать скорость последних с величиной пластической деформации.

М. И. Черненко [248] изучал распространение пластических волн вдоль цилиндрических пружин из мягкой проволоки. В процессе удара скорость пластических волн убывала от 10—20 до 4—6 м/сек. Подобные же скорости упруго-пластических волн (3,2—3,5 м/сек) наблюдал Б. М. Малышев [249].

Скорости пластических волн 3600—4730 м/сек были зареги­ стрированы в работах [250, 251]. Миншел [252] установил, что возникшая в результате взрыва волна пластичности отстает от упругих ударных волн в стали на 15%, а в вольфраме на 10%.

Очередность процессов при использованной комбинации удара и надреза не менялась: пластическая деформация всегда опережала разрушение по двум причинам: во-первых, она имела выигрыш во времени из-за разности задержек разрушения и те­ кучести; во-вторых, скорость ее в среднем больше скорости ро­ ста трещины. Кроме того, согласно современным представлениям, хрупкое разрушение обусловлено пластической деформацией и поэтому должно следовать за ней.

Деформация, при которой растет трещина в сталях 35 и 50, убывает с остротой надреза. Вероятно, с повышением локализа­ ции достаточно меньшего деформирования для искажения ре­ шетки, создания микротрещин и облегчения их объединения в магистральную. Критическая деформация убывает по мере движения трещины вдоль пластины. Это может быть связано с упрочнением металла или приобретением трещиной запаса кинетической энергии, что позволяет ей расти при меньшей де­ формированное™ металла. Для остальных сталей эти явления незакономерны.

Весьма интересно разрушение тонких (5-мм) образцов стали У8 (рис. 37). Оно характеризуется большой продолжительностью (до 750-10"5 сек) и сравнительно малыми скоростями роста трещин, не превышающими 400 м/сек. Движение трещины нерав­ номерно и может прерываться остановками. Пластическая деформация распространяется с малыми скоростями. Например, скорость пластической волны, отвечающей углу изгиба сечения образца у = 150°, лежит в пределах 22—500 м/сек.

Наибольшие скорости, отмеченные при различных вариантах надреза и удара, колеблются в пределах 250—1100 м/сек и на­ блюдаются в конце пластины. Эти скорости, бесспорно, не яв­ ляются предельными. Действительно, с увеличением длины

86

образца можно получить и более высокие скорости, так как тре­ щины растут с ускорением. В эксперименте, проведенном на полуметровой пластине с треугольным надрезом, достигнута скорость 1500 м/сек. Еще большую скорость разрушения можно получить, увеличивая толщину разрушаемого металла.

Исходя из этого, наблюдаемые этапы разрушения следует считать начальными, на которых трещина лишь разгоняется.

варьированием мощности удара, толщины пластины и величины и формы надреза. Значительно увеличивая сечение металла и вес падающего бойка и тем самым ужесточая нагрузку, этот этап можно практически довести до микросекунд, в результате чего трещина будет стартовать мгновенно с большой скоростью.

4.ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ИСПЫТАНИЯ НА РОСТ ТРЕЩИНЫ

ВНЕКОТОРЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

Вкачественном отношении влияние температуры на кинетику разрушения определяется схемой нагружения и неодинаково при разрыве и изгибе.

Распространение трещин и характер возникающего при этом поля упругих напряжений изучали в работе [253] на пяти разно­ видностях сталей с содержанием углерода 0,13 и 0,16%. Образцы толщиной от 20 до 50 мм с двумя надрезами глубиной до 29 мм растягивали на 300-т прессе. Специальным устройством, в кото­ ром расширяющийся азот действовал на поршень, клин вго­ нялся в надрез, инициируя разрушение. Для охлаждения от комнатной температуры до —60° С использовали сухую угле­ кислоту, которую помещали в два ящика, расположенных по обе стороны образца. Скорость трещины измеряли проволочными датчиками. Величину напряжений определяли отдельными че­ тырьмя тензометрами. Импульсы регистрировались на трех двухлучевых электронных осциллографах. Следует отметить, что использование проволочных тензометров из-за высокой пластич­ ности использованной стали не могло не привести к значитель­ ным ошибкам в оценке скорости трещины и величины напряже­ ний. Было установлено возрастание скорости трещины с уве­ личением ее длины до 1500—1600 м/сек. Трещина, однако, движется немонотонно. Скачкообразность ее движения особенно

велика в первые моменты после удара клина, когда скорости составляют около 200 м/сек. Понижение температуры испытания, увеличение средних приложенных напряжений и толщины об­ разца ведут к росту скорости разрушения.

Иосики, Канадзава и Итагаки [254] разрушали растяжением широкие стальные плиты размером 500X500X20 (25) мм. Содержание углерода колебалось от 0,15 до 0,25%. Система

87

нагружения, инициирования и измерения была близка к исполь­ зованной в предыдущей работе. Авторам удалось установить до­ статочно определенную температурную зависимость. Оказалось, что с понижением температуры до (—40) (—50)° С скорость распространения трещины возрастала до 1800 -f- 1960 м!сек для стали с 0,15% С и до 1500 м/сек для стали с 0,25%' С.

При испытании сталей в более мягких условиях (изгибом) результаты оказываются несколько иными [255]. Исследование проводили при температурах от +100 до —70° С. В результате изучения разрушения стали 50 выявлены следующие особенности температурного влияния. С понижением температуры испытания задержка разрушения уменьшается от 430 • 10-5 сек при 100° С до 190 • 10~б сек при —70° С. Критическая деформация, при кото­ рой растет трещина, при этом существенно падает — угол изгиба меняется от 125 до 170° Следовательно, для появления и про­ растания трещины с понижением температуры требуются мень­ шие деформации.

крутым ходом динамической кривой напряжение — деформация. Таким образом, характеристики пластичности металла с тем­ пературой меняются вполне естественно^ Этого нельзя сказать о киретике собственно процесса разрушения, меняющейся с тем­ пературой незакономерно. Так, наибольшая скорость трещины (900 м/сек) отвечает промежуточной тёмпературе минус 16° С. Весьма вероятно, что это связано со значительным разогре­ вом в зоне деформации и разрушения. Учесть это обстоятельство в связи с переменной скоростью пластической волны непросто, тем более неясно оно в микрообъеме, прилегающем к трещине. По мнению Румпфа [256], при достаточно больших скоростях движения трещины — порядка или больше 103 см/сек — темпе­ ратура материала на фронте разрушения может оказаться выше температуры плавления. Некоторое повышение температуры вблизи трещины установлено Вэллсом [257]. Общеизвестно также значительное повышение температуры в процессе динамического деформирования металлов [258, 261] даже без последующего разрушения, ведущее к так называемому эффекту Кравз — Тар-

новского.

Р. Ф. Рехт [259] приводит выражение для расчета локального повышения температуры на плоскости скольжения, основанное на решении Карслоу и Егера [260], для плоского источника тепла:

«8

Здесь Т — мгновенная температура; тз — предел текучести при сдвиге;

^сдв — наибольшая скорость сдвиговой деформации; К — коэффициент теплопроводности; с — удельная темплоемкость; р — плотность;

/ — механический-эквивалент теплоты; t — продолжительность сдвига.

Эту формулу можно применить [260] и для случая динами­ ческого изгиба стальных пластин. Следует лишь предварительно оценить скорость сдвиговой деформации в наиболее опасном сечении образца (в плоскости бойка,.так как здесь происходит наиболее интенсивная пластическая деформация). Она оказы­ вается равной и Сдв = 0,05 иИзг, где vmr — скорость изгиба образца под бойком (определяется экспериментально). Время деформа­ ции близко ко времени задержки разрушения. Возможное повы­ шение температуры в рабочей зоне при любых формах надреза не превышает 100—200° С 1.

Сущность явлений, происходящих в поликристалле, без­ условно, намного сложнее, чем в случае модели автономной пло­ скости скольжения.

Если на основании имеющегося материала и трудно точно, количественно оценить температуру вблизи вершины быстро растущей трещины, то, во всяком случае, очевидно существова­ ние некоторого теплового эффекта, зависящего от ряда факторов и определяющего отличие реальной температуры разрушения от. исходной температуры образца.

5.ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА РОСТ ТРЕЩИН

ВНЕКОТОРЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

Испытывали [255] стали ШХ15, 65Г и 50. Первые две зака­ ливали с 840° С в масле, последнюю — в воде. В течение 1 ч образцы отпускали при температурах 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700° С. Отпуск при 300° С и выше производили в стружках.

Как следует из результатов исследования (рис. 38), задержка разрушения с увеличением температуры отпуска значительно, возрастает, например у ШХ15 в шесть раз. Это сопровождается увеличением общей деформации образца, в частности критиче­ ской деформации, отвечающей собственно моменту разрушения. Весьма интересно при этом изменение скорости распространения пластической волны. Ее максимальное значение соответствует закаленным образцам (табл. 9).

1 К У т к и н И. А. Экспериментальное изучение кинетики и энергоем­ кости разрушения сталей. Автореферат кандидатской диссертации, Новокуз­ нецк, СМИ, 1966.

89

Скорость распространения волны в таких образцах отвечает условной деформации изгиба 170° и достигает 4000 м/сек, т. е. близка к наибольшей возможной скорости 5900 м/сек — скоро­ сти звука. С увеличением температуры отпуска скорость пласти-

Рис. 38. Длина трещины и угол пластического изгиба для закаленных и отпущенных при различных темпе­

ческой волны убывает примерно до 350—400 м/сек у ШХ15 и 65Г В этом отношении эффект отпуска при 100 и 200° С у ШХ15 и при 100° — у 65Г отсутствует.

Отйуск стали влияет и непосредственно на кинетику движе­ ния трещины (табл. 4). В случае стали 65Г наибольшей скоро­ стью обладают трещины в закаленных образцах. С ростом тем-

90