книги / Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин

вательность событий следует воспроизводить при лаборатор­ ных испытаниях, и в действительности было проведено огра­ ниченное число испытаний на образцах с одним боковым надрезом, в которых для наплавки материала с низкой трещиностойкостыо использовался электронно-лучевой шов; в этом материале и образовывалась стартовая трещина [6].

Однако более подходящим лабораторным испытанием яв­ ляется то, в котором остановка трещины происходит в ре­ зультате снижения К по мере роста трещины. Образцы ДКБ переменной высоты, рассмотренные ранее, работают именно так, но могут быть использованы и образцы других типов. Для некоторых типов образцов может потребоваться очень жесткая нагружающая система, например нагружение кли­ ном, чтобы обеспечить достаточно быстрое уменьшение К. Для вычисления К\а нагружающая система должна быть приспособлена для установки приборов, которые позволят измерить К через короткий промежуток времени после оста­ новки трещины. Прежде чем перейти к обсуждению альтер­ нативных образцов для измерения К\а, целесообразно обра­ титься к некоторым особенностям, которыми должны обла­ дать любые образцы, предназначенные для этой цели. Чтобы остановка трещины происходила в условиях, имитирующих условия в толстостенных конструкциях, необходимо свести к минимуму краевые эффекты. Этому требованию можно удов­ летворить использованием боковых надрезов.

Боковые надрезы

При рассмотрении боковых надрезов обычно полагают, что коэффициент интенсивности напряжений К есть величина, которая может изменяться вдоль фронта трещины, и сопро­ тивление материала распространению трещины также изме­ няется по фронту трещины. Но даже когда в образцах с гладкой боковой поверхностью величина К постоянна по фронту трещины, сопротивления разрушению нет. Материал вблизи поверхности образца, где условия плоского напря­ женного состояния приводят к возникновению пластической зоны, более стоек по отношению к разрушению, чем материал в центральной области, где, если образец имеет достаточную толщину, превалируют условия плоской деформации.

Следовательно, трехмерная картина типична для образца с трещиной даже в отсутствие боковых надрезов. При изме­ рениях Кю эту трехмерность обходят, используя настолько толстые образцы, что движение трещины в центральной об­ ласти фронта трещины может быть обнаружено при отсут­ ствии заметного увеличения трещины вблизи поверхности об­

разца. Такая ситуация неприменима для вычисления Кю. Ес­ ли бы фронт остановившейся трещины обнаружил, что движение трещины происходило только в центральной части образца, в то время как трещина не развивалась вблизи поверхностей образца, то естественно было бы сделать вывод, что доминирующую роль при остановке трещины играла та часть фронта трещины, которая находилась в условиях пло­ ского напряженного состояния, а не в условиях плоской де­ формации.

Основная цель боковых надрезов — это устранение чрез­ мерного влияния поверхностей. .Простое объяснение их влия­ ния состоит в следующем: повышение напряжений у вершины боковых надрезов увеличивает К в этой области, а трехосность напряженного состояния, возникающая в результате наличия боковых надрезов, может привести к локальному снижению сопротивления разрушению. При соответствующей конфигурации боковых надрезов материал у поверхности мо­ жет разрушаться почти с той же легкостью, как и в цент­ ральной части образца. Слово «легкость» здесь не имеет точ­ ного определения; тем не менее имеется возх\южность оценить эффективность боковых надрезов посредством исследования формы фронта остановившейся трещины.

Действие боковых надрезов следует считать слишком сильным, если фронт остановившейся трещины показывает, что трещина на поверхности (т. е. у вершины надреза) обго­ няет трещину в центральной части, и недостаточным, если наблюдается запаздывание разрушения у поверхности. Опыт авторов в MRL показывает, что сравнительно мелкие над­

рис. 5 показаны формы фронта некоторых остановившихся трещин, зафиксированного как методом теплового окрашива­ ния, так и подрастанием усталостной трещины.

Применение боковых надрезов вносит в анализ некоторую неопределенность, но, если надрезы неглубокие, неопреде­ ленность не может быть настолько большой, чтобы вызвать решительные возражения. Могут быть рассмотрены два крайних случаях. В первом — влияние боковых надрезов на рост К может быть ограничено малой областью вблизи вер­ шины надрезов, так что значение К, в центральной области то же самое, как и для ненадрезанного образца. В другом крайнем случае возрастание К происходит равномерно по всему фронту трещины и тогда К для образца с боковыми надрезами будет в (В/Вы) 1/2 раз больше, чем для ненадре­ занного образца. В практике MRL (что нашло свое отраже­

ного состояния у поверхностей образца. Из этого не вытекает, что боковые надрезы уменьшают толщину образца, необхо­ димую для получения условий разрушения при плоской деформации. Требование, что нетто-толщина должна быть велика по сравнению с вычисленным размером пластической зоны, является формальным, причем точное значение этого превышения должно быть установлено экспериментально.

Управление длиной скачка трещины

При выборе образца для измерений Кю определенное значение приобретает отношение Kia/Kq как функция длины скачка трещины. Если Кы/Kq не уменьшается достаточно бы­ стро по мере роста трещины, то снижается возможность остановки трещины. Величину отношения KiJKq легко оце­ нить. Для любого образца

где С' sss dCfda — скорость изменения податливости образца с ростом длины трещины. Можно считать, что нагрузка к образцу прикладывается за счет перемещения активного за­ хвата на Дм. Если податливость испытательной машины обо­ значить через См> а податливость образца — через С, то Р =

Приняв, что значение перемещения Дм после остановки трещины равно его значению в момент начала распростране­ ния трещины, получаем

где Со и С6 вычислены для начального положения трещины а0, а С и С' — для гипотетической длины остановившейся трещины а. Условиям нагружения с фиксированным положе­ нием захватов соответствует См = 0, с постоянной нагрузкой соответствует См -*• оо. Действительные условия испытаний попадают где-то между ними. Опыт испытаний авторов в MRL позволяет предполагать, что при нагружении образцов через пальцы достаточно, чтобы машина имела податливость См = 1,5* Ю-8 м/Н.

На рис. 6 показаны три образца сравнимых размеров: образец ДКБ переменной высоты, образец ДКБ постоянной высоты и компактный образец. Толщина образцов принята

216 Я. Кросли, Э. Риплинг

равной 50,4 мм, предполагается, что они изготовлены из ста­

Кю/Kq при распространении трещины в клиновидной части образца уменьшается до 0,73, что находится в достаточно близком согласии с наблюдаемой измерительной способно­ стью образца на испытательной установке в MRL.

Для образца ДКБ постоянной высоты можно использо­ вать результаты градуировки податливости, приведенные в работе Мостового и др. [4];

где £ = а//У, длина трещины, отнесенная к высоте образца. Приняв ао = 40 мм в образце с Н = 80 мм, получаем кривые, приведенные на рис. 8. При неподвижных захватах падение KialKq сравнимо с получаемым для образца ДКБ переменной

и

a/W

трещины показаны на рис. 9. В условиях неподвижных за­

трещины быстрее, чем для образца ДКБ постоянной высоты.

ВЫВОДЫ

Исследования характеристик разрушения сталей, исполь­ зуемых для изготовления сосудов давления, проводимые в MRL в течение ряда лет, привели к разработке методики измерения трещиностойкости по моменту остановки трещины Kia. Измерения обычно проводят на образцах ДКБ перемен­ ной высоты, имеющих острые, но неглубокие боковые надре­ зы. Они необходимы для того, чтобы остановившаяся трещи­ на имела прямой фронт. Последняя конструкция образца ДКБ переменной высоты имеет преимущество перед прежни­ ми, так как позволяет лучше контролировать направление роста трещины; однако не всегда можно гарантировать, что остановившаяся трещина будет плоской и будет находиться в минимальном сечении, определенном боковыми надрезами. Вычисления Кю основаны на статических условиях, устанав­ ливающихся через короткий промежуток времени после скачка и остановки трещины. Нагрузка, соответствующая

ДКБ постоянной высоты и компактный образец. Как выясни­ лось, эти образцы обладают меньшей способностью к оста­ новке трещины при нагружении их при помощи пальцев на испытательной машине. Этот недостаток можно преодолеть, повысив жесткость системы нагружения посредством перехо­ да к нагружению клином, но при этом остается открытым вопрос об измерительных приборах, способных определить нагрузку в момент остановки трещины.

При измерениях Кы в температурном диапазоне выше ТНЛ, который представляет наибольший интерес, основная

проблема состоит в инициировании быстрой трещины. Неко­ торые способы снижения трещиностойкости при инициирова­ нии трещины описаны в работах [1—3, 7]. Среди них приме­ нение динамического нагружения, использование термиче­ ских и металлургических градиентов как в отдельности, так и в совокупности. Последний способ может быть реализован посредством наварки хрупкого металла, проплавки металла образца электронным лучом и закалки в месте инициирова­ ния трещины, а также применением наплавленного хрупкого валика, как это делается при испытаниях для определения ТИП. Два последних приема требуют использования острых надрезов.

Несмотря на то что при испытаниях на Кю остаются неко­ торые нерешенные проблемы, большинство материалов мо­ жет быть удовлетворительно испытано на образцах, размеры которых показаны на рис. 1. Простейший способ подавле­ ния высокой трещиностойкости инициирования для сталей низкой и средней прочности состоит в применении высоких скоростей нагружения. Этот способ обладает тем недостат­ ком, что не позволяет прекратить испытание после первого скачка и остановки трещины. При использовании образцов ДКБ переменной высоты нет необходимости неизбежно пре­ рывать испытания для измерения Кю, но полезно зафиксиро­ вать положение фронта остановившейся трещины посред­ ством теплового окрашивания или усталостного нагружения, что позволяет исследовать излом после испытаний. Однако и при быстром нагружении можно получить приближенную информацию о положении фронта остановившейся трещины при помощи данных об изменении податливости образца, но для этого необходимо предотвратить выпадение датчика сме­ щения во время испытаний.

Благодарности

В статье приведены результаты исследований, выполнен­ ных в Electric Power Research Institute (EPRI) по контракту No. RP 303-1. Авторам очень помогли замечания сотрудников института д-ров К. Э. Сталкопфа и Т. У. Марстона. Авторы чрезвычайно благодарны проф. Дж. Р. Ирвину и д-ру С. Мостовому за многочисленные дискуссии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Crosley Р. В., Ripling Е. J. — J. Pressure Vessel Technology, Trans. ASME, 1975, v. 97, Ser. J. No. 3, p. 291—298.

2. Crosley P. B,, Ripling E. Y. — Nuclear Engng. and Design, v. p. 32—45.

3.Hahn G. Т., Gehlen Р. С., Hoagland R. G., Kanninen М. F., Popelar С., - Rosenfield A. R. Critical experiments, measurements and analyses to es­

tablish a crack arrest methodology for nuclear pressure vessel steels, BMI-1939, Battelle Columbus Laboratory, Columbus, Ohio.

4. Mostovoy S., Crosley P. B., Ripling E. J. — Journal of Materials, 1967,

v.2, No. 3, p. 661—681.

5.Rosenfield A. R. (частное сообщение).

6. Crosley P. B., Ripling E. J. Crack arrest in an increasing /(-field. — Pro­ ceedings of the Third International Conference on Pressure Vessel Tech­ nology, Part II. Materials, Fabrication and Inspection, 1973.