книги / Физические основы торможения разрушения

абсолютно точного совпадения объяснялось действием термических напряжений, не входивших в расчет. Между тем последние, как уже упоминалось ранее, могут играть доминирующую роль в тормо­ жении разрушения. Если не рассматривать этого крайне важного обстоятельства или специально его учитывать, то следует довери­ тельно относиться к точке зрения Блума о том, что торможение происходит каждый раз, когда коэффициент интенсивности напря­ жений К или его эквивалент — скорость высвобождения энергии G, вычисленные на статической основе, становятся равными или меньшими, чем критический коэффициент интенсивности /С/с или изломостойкости GiC.

4. ТОРМ ОЖ ЕНИЕ ТРЕЩИН ПРИКЛЕПАННЫМИ СТРИНГЕРАМИ

Ранее упоминалось о широко распространенном в кораблестрое­ нии методе остановки трещины пазом в матричном материале, укрепленном дополнительной накладкой. Такую накладку часто крепят заклепками. Стрингер может быть одноили двусторонним. Мосборг, Холл и Муне [42] описывают опыты по торможению быстрых трещин такими барьерами. Были рассмотрены два ва­ рианта. В первом паз отсутствовал, во втором существовал. В обоих случаях накладку приклепывали к главной пластине четырьмя рядами заклепок.

Оказалось, что паз, выполненный автогеном, в присутствии стрингера служит достаточно надежным барьером на пути трещины

ивызывал полное ее торможение. При испытании образца без паза трещина была способна пересекать приклепанный барьер. Однако при этом собственно заклепки в некоторой степени, хотя

ине в полной, притормаживают разрушение. Наиболее эффек­ тивны они при зигзагообразном шахматном расположении.

На стрингер как тормозное устройство обращает внимание и Блум (см. рис. 1, з). Он отмечает, что часто барьерные свойства накладки снижаются из-за преждевременного разрушения закле­ пок при одном их ряде. Вместе с тем многорядное расположение заклепок и повышение их жесткости безусловно ограничивают движение трещины и служат достаточно надежным стопором

разрушения.

Одна из наиболее четких формулировок задачи по торможению трещин в авиационных конструкциях посредством разновидностей стрингеров была дана в работе Крегера и Лью [45]. Они считают, что «безопасное» проектирование должно преследовать цели сохра­ нения первоначальной структурной целостности и функциональ­ ной способности, несмотря на значительное число повреждений. При этом эффективны те проекты и расчеты, в которых нагрузка может быть поддержана, несмотря на то что имеется большое число повреждений. В этих условиях продолжительность разрастания системы дефектов до критических размеров должна быть доста­ точно велика. Предполагается, что наиболее простой метод дости­

31

жения этих целей — разработка простейшей системы стрингеров в виде плоских полосок, наклепанных на широкие металлические листы основной конструкции. Такого рода стопоры трещин должны иметь минимально возможные размеры и вес. Авторами [45] были проведены теоретические и экспериментальные работы по остановке трещины на больших алюминиевых панелях. Авторы исходили из того, что разрушение тонких листов на ранних стадиях не носит взрывного характера. Наоборот, вначале тре­ щина подрастает крайне медленно. Именно это обстоятельство и было заложено в основу и эксперимента, и теоретического рас­ чета. И эксперимент, и расчет проводили в предположении о ста­ бильном росте трещины до тех пор, пока увеличение сопротивле­ ния разрушению не начинает превышать возрастания фактора интенсивности напряжений.

На алюминиевую матрицу наносили стопоры в виде тонких приклепанных полосок из алюминия, стали, нержавеющей стали и титана. На каждую панель наносили по семи рядов таких усили­ телей, удаленных на 14—15 см друг от друга. Зародышевая тре­ щина создавалась усталостным испытанием и подводилась вплот­ ную к стрингеру. Затем нагружение осуществляли статическим растяжением до разрушения. После упругих напряжений фикси­ ровали тензометрически в районе взаимодействия трещина — стрингер, а также фотографировали расположение и конфигура­ цию трещины в различные моменты времени. Данные записывались на магнитную ленту и могли быть неоднократно воспроизведены. Установлено, что торможение трещины возрастает с увеличением прочности материала накладки и ростом ее размера. Наиболее важная причина торможения состоит в том, что еще до разрушения основного несущего элемента происходило пластическое течение накладки.

С точки зрения технологии и расчета интересно то, что для того, чтобы получить надежную численную оценку влияния стрин­ гера на рост трещины, достаточно принять во внимание 30 бли­ жайших к трещине заклепок в каждом из трех центральных слоев. В этих условиях разрушающая нагрузка для исключительно сложных конструкций может быть предсказана с точностью до 10% на основании испытания лабораторных образцов.

5. КИНЕТИКА ВЗАИМ ОДЕЙСТВИЯ ТРЕЩ ИН С ГРАНИЦЕЙ

ВКОМ ПОЗИТНОМ М АТЕРИ АЛЕ

Вотдельных работах, цитированных ранее, например в работе [43], показано, что в процессе преодоления барьера типа сварного

шва трещина значительно притормаживается и скорость ее умень­ шается в 2—3 раза.

Висследовании [46] рассматривается взаимодействие трещины

сграницей в композитном цилиндре, состоящем из шести концен­ трических труб и нагруженном внутренним давлением. Разруше-

32

иие зарождалось От надреза. Во избежание быстрой декомпрессии при росте трещины поддерживалось давление от баллона со сжатым воздухом. Трещину регистрировали, фотографируя ее с короткими интервалами по мере возрастания разрушающего давления. При температурах испытания от 5 до 25° С разрушение носило устойчи­ вый вязкий характер. Малые скорости распространения трещины приводили к декомпрессии, и разрыв приостанавливался. С пони­ жением температуры процесс постепенно терял вязкий характер и при (—60)—(—120)° С бегущая трещина ветвилась. Слоистые цилиндры оказались более устойчивыми к разрушению, и послед­ нее переходило в хрупкую стадию при более низких температурах. Если исходная трещина присутствовала только в одном из слоев, то ограничение ее дальнейшего распространения было связано с межслойным распространением вторичного разрушения. Послед­ нее ограничивало рост магистральной трещины через остальные слои композита. Если же начальная трещина проникала через всю толщину многослойной стенки цилиндра, то ее торможение опреде­ лялось так называемым расщеплением фронта трещины на под­ трещины, растущие относительно автономно в различных слоях.

Распространение трещины в слоистых материалах из низкоугле­ родистой стали описано в работе 147]. Для соединения композита использовали серебряные или медные припои, а также применяли сварку взрывом. В последнем случае центральным был слой меди. Процесс разрушения фотографировали однократными вспышками с различным временем задержки по отношению к началу разрыва. При температуре испытания — 80° С трещина пересекала сечение гомргенного образца менее чем за 10 мс. Это было минимально возможное время регистрации. Поэтому скорость разрушения оказалась заведомо превышающей 800 м/с. В слоистом материале первый компонент разрушался как в однородном теле, но затем трещина тормозилась на поверхности раздела на 700 мс. В течение этого периода значительно расслаивалась поверхность раздела, и второй компонент пластически изгибался до разрушения. Анало­ гичным был процесс и при температуре жидкого азота. По мнению авторов [47], торможение в описанном случае определяется поте­ рей трехосного напряженного состояния в вершине растущей трещины при образовании перед ней расслоя по другой плоскости. По этой причине следующие слои оказываются в существенно более мягком напряженном состоянии и претерпевают перед последующим разрушением весьма значительную пластическую деформацию.

Весьма интересным является фотоупругое исследование распро­ странения трещины в композитном материале, которое было прове­ дено Дэниелом [48]. Изучаемой моделью была среда, составлен­ ная из перемежающихся слоев матрицы из полиэфирной смолы и стекла. Толщина каждого слоя была равна 6 мм. Исходная трещина зарождалась в одном из центральных слоев. Нагружение осуществляемое статически, сочетали с инициирующим упругим

импульсом, создаваемым падающим грузом. Последний начинал движение, будучи освобожденным магнитным захватом, и в момент удара по платформе, т. е. в момент приложения упругого нагруже­ ния к тяге, передающей усилие на образец, выдавался электриче­ ский сигнал. Это служило исходным импульсом для запуска фоторегистрирующей системы Кранца—Шардина и электронного осциллографа. Каждая из 16 фотовспышек регистрировалась на экране осциллографа и считывалась с него фотоумножителем. Это позволяло тарировать время между вспышками и менять задержку системы. Такая задержка была совершенно необходима из-за определенного временного интервала, отделяющего нагружающий удар от начала разрушения. Эту задержку можно было менять от 10 до 1000 мкс, что обеспечивало синхронизацию начала разруше­ ния с фотографической регистрацией процесса. Частота съемки при этом достигала 200 000 кадров в секунду.

Кинофильмирование показало, что на границе слоев трещина претерпевает торможение и начинает распространяться по границе контакта с относительно высокими скоростями движения именно вдоль слоев. Средняя скорость роста магистральной трещины сравнительно низкая и в пределах одной полоски композита вначале не превышала 230 м/с. При последующем распространении про­ являлся тормозящий эффект влияния границы и трещина посте­ пенно теряла скорость, полностью останавливаясь через 50—60 мкс от момента начала своего роста. Это соответствовало ее пути 8— 10 мм. Таким образом, в некоторых условиях трещина не была способна перфорировать границу между слоями. По убеждению Дэниела, низкая скорость распространения трещины связана с затуплением ее вершины при приближении к границе между слоями и сложным характером распространения волн напряжения в композитном материале, в частности многократными явлениями отражения и интерференции упругих волн. Помимо этого, допу­ скается и изменение особенности напряжений в вершине трещины. Так, если обычно напряжения меняются вблизи устья трещины по закону Г 1/2, то Дэниел считает возможным вблизи границы кон­ такта разнородных слоев закономерность того же типа, но с п <

< 1/2.

Вместе с тем наблюдался и прорыв разрушения через все границы с полным разделением всего образца. Этому процессу часто сопутствовало ветвление трещины на периферийных участках композита, т. е. там, где скорость распространения трещины была достаточно большой.

В. М. Финкель и В. Е. Середа 1 рассмотрели взаимодействие быстрой трещины с границей раздела двух сред с разными упру­ гими характеристиками.

1 Середа В. Е. К вопросу об управлении трещинами волнами напряжений и границами раздела различной физической природы. Автореф. канд. дис. Воро­ неж, 1975.

34

Тогда, подставляя выражение (2) в формулу (1), получаем

Ттах = 7 ^ ^ 0,г' а^

Это уравнение в дальнейшем использовалось для обработки экспериментальных данных по фотоупругости. Для того чтобы отчетливее выявить влияние границы раздела на трещину, рас­ смотрим поведение относительного фактора интенсивности напря­ жений Ю К0- Здесь Ко — фактор интенсивности напряжений в вершине трещины, удаленной на расстояние 20 мм от поверхности сочленения. Значение его определяется отдельно в каждом слое.

Приближение трещины к границе {EJE 2 = 4) со стороны среды с большим модулем сопровождается ростом коэффициента интен­ сивности напряжений (рис. 3, а) в 4,7 раза. После перфорирования границы отношение KIKo уменьшается до 0,92. Воздействие гра­ ницы на трещину особенно значительно на расстояниях ±10 мм по обе стороны от нее.

В случае взаимодействия с подобной же границей, но при дви­ жении трещины со стороны среды с меньшим модулем упругости картина изменения относительно коэффициента интенсивности

Рис. 3. Относительный коэффи­ циент интенсивности напряже­ ний в вершине трещины вблизи границы двух слоев с отноше­ нием модулей упругости слоев E JE , = 4. Трещина растет из среды с большим (а) и меньшим

(б) модулями упругости

38

Рис. 4. Относительный коэффициент ин­ тенсивности напряжений в вершине тре­ щины вблизи границы двух слоев с от­ ношением модулей упругости EJE* = = 100. Трещина растет из среды с мень­ шим модулем упругости: I — расстоя­ ние от границы

напряжений (рис. 3, б) носит обратный характер: падение перед границей и рост за ней.

Качественно подобный характер носит и прорыв трещиной границы компаунда с отношением E JE ^ = 100. По мере прибли­ жения трещины со скоростью 250 м/с к жесткому слою относитель­ ный коэффициент интенсивности напряжений падает (рис. 4) до 0,65 и на расстоянии 5,5 мм от границы разрушение тормозится (рис. 5). Увеличение начальной скорости распространения тре­ щины до 300 м/с ведет к прорыву ее в стеклянную пластину без существенного изменения режима разрушения.

В заключение укажем на работу И. С. Гузя и др. [444], в кото­ рой рассматриваются некоторые особенности поведения плаки­ рованных биметаллических композиций при их динамическом на­ гружении. Применение метода фотоупругости в сочетании со ско­

со скоростью до 30 м/с. В биметаллическом компаунде сталь СтЗ—08Х18Н10Т, полученном плакированием литьем, трещина распространялась к границе со стороны стали СтЗ со скоростью 15—20 м/с. Разрушение носило определенно выраженный вязкий характер и не сопровождалось заметным торможением на границе слоев и расслоением материалов.

Тормозящее влияние вязкого плакирующего слоя наблюдалось в работе [444] при хрупком разрушении стали СтЗ. Путем спе­ циальной охрупчивающей обработки скорость трещины в ней доводилась до 500 м/с. В этих условиях разрушение стали СтЗ происходило без заметной пластической деформации. В зоне со­ членения слоев наблюдалось торможение трещины и иногда полное торможение. Продолжительность торможения составляла 150— 200 мкс.

39

Г л а в а II

ВЗАИМ ОДЕЙСТВИЕ ТРЕЩ ИН С М ЕЖ БЛОЧНЫ М И И М ЕЖ ЗЕРЕН Н Ы М Й ГРАНИЦАМИ

Межзеренные и межблочные сочленения являются весьма эффек­ тивными барьерами на пути медленных и быстрых трещин как в металлических, так и в неметаллических материалах. Достоин­ ством их является возможность широкого изменения масштаба воздействия на процесс разрушения — от влияния, приводящего лишь к скачкообразному характеру распространения трещины до полного торможения разрушения даже в его закритической ста­ дии. Это основано на относительно легко варьируемых свойствах границ зерен путем изменения характера разориентации (винто­ вая, краевая или смешанная) и углов разворота.

1. СКАЧ КО О БРАЗН О Е РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩ ИН

Разрушающая трещина способна распространяться скачко­ образно. В принципе это обусловлено рядом причин. Одни из них — общие и не связаны с конкретной природой разрушаемого тела, а другие присущи отдельным материалам и потому различны.

Неравномерность распространения трещины наблюдается и в до- и в закритическом состоянии трещины. Медленное подраста­ ние квазистатических трещин в металлах контролируется процес­ сами пластической деформации в устье. В результате, несмотря на увеличение (в среднем) скорости роста трещин со временем, на отдельных участках изменение ее длины чередуется с остановками. Торможение и прерывание роста’ сопровождаются интенсивным скольжением в вершине трещины и близлежащих зонах.

Увеличение скорости разрушения ни при каких обстоятель­ ствах не исключает переменных скоростей роста трещин. Почти всегда периоды активности чередуются с участками депрессии, причем это характерно для ранних и поздних стадий роста трещин, высоких и низких напряжений и скоростей распространения. Не исключают неоднородности роста трещин и скорости, близкие к предельным. В меньшей степени, чем при малых скоростях, скачкообразность существует и при очень больших. С увеличением напряжений скачкообразность уменьшается, но не исчезает.

Наиболее четкой характеристикой неравномерности процесса разрушения может служить ускорение трещины. Его оценка для образцов с различной формой надреза, а также образцов, подверг­ нутых закалке и отпуску в интервале от 100 до 700° С, показала [49—51 ], что максимальные ускорения колеблются в диапазоне от 1 до 6 • 108 см/с2. Разброс значений велик, однако можно отметить вполне четкую тенденцию к росту ускорения по мере увеличения остроты надреза. Другими словами, значительная пластическая

40