Диаграммы трещиностойкости

Многие авторы процесс накопления усталостных повреждений, не разделяя на периоды, делят на следующие стадии: циклического упрочнения (или разупрочнения), зарождения и распространения усталостных трещин. На наш взгляд, прежде чем рассмотреть периодичность и стадийность процесса усталостного разрушения, целесообразно сделать это для статического деформирования, поскольку закономерности процессов пластической деформации и разрушения при различных видах деформирования имеют много общего. Периодичность и стадийность процессов пластической деформации при статическом растяжении для случая поликристаллических металлов и сплавов с ОЦК - решеткой, имеющих физический предел текучести, могут быть рассмотрены с учетом накопления повреждений (рис. 6). На этом рисунке слева представлен вид кривой статического растяжения, который наблюдается при температурах выше критической температуры хрупкости Тх, а справа при температурах испытания ниже Тх. Следует отметить, что это наиболее сложный вид диаграммы статического растяжения металлических материалов. Усложнить эту диаграмму можно, лишь добавив участок деформации прерывистой текучести, которая иногда наблюдается па стадии деформационного упрочнения, например, у низкоуглеродистых сталей в интервале температур испытания 100 - 300°С (так называемый эффект Портевена - Ле Шателье). В случае ГЦК - металлов и сплавов обычно на такой диаграмме отсутствует зуб и площадка текучести. Рассмотрев стадийность деформации и накопления повреждений на примере такой сложной диаграммы, легче перейти к более простым случаям. В настоящее время при рассмотрении процесса разрушения металлических материалов (будь то статическое деформирование или какой-либо более сложный вид нагружения - усталость, ползучесть и т.п.) принято

Запись диаграмм циклического и статического деформирования должна быть автоматической с использованием двухкоординатных приборов. Диаграммы статического растяжения записывают при той же скорости активного нагружения, что и при циклическом деформировании, причем измерение деформаций выполняют на той же базе. Запись диаграммы циклического деформирования осуществляют в процессе испытания с периодичностью, зависящей от свойств металла.

В силу высокой скорости протекания процессов старения материалов в условиях повторного нагружения за пределами текучести изменение свойств статической прочности и пластичности проходит в основном за время, соответствующее длительности однократного-статического разрыва порядка 5—10 мин. При этом характеристики сопротивления циклическому разрушению оказываются коррелирующими, как и для нормальных температур, с соответствующими параметрами диаграммы статического разрушения состаренного материала.

где / (а) — зависимость, вытекающая из диаграммы статического растяжения; / (/с) — описывает изменение ширины петли в зависимости от числа полуциклов k (убывающая или возрастающая функция, отражающая нестабильность циклической пластичности металла).

пряжений kg* (для координат S — е) можно выполнить с использованием уравнений (34) и (35) после замены показателя упрочнения т1 диаграммы статического деформирования на показатель упрочнения т1 (k) диаграммы циклического деформирования (последний определяется по уравнению (27)), а также номинального напряжения Зп на Sn

Рис. 1.4. Мгновенная (1) и изохронные (2,3) диаграммы статического деформирования при соответствующих режимах нагружения (k = 0)

Диаграммы циклического деформирования можно получить пересчетом из диаграммы статического деформирования. Циклические пластические деформации при нормальных или повышенных температурах, когда деформацией ползучести можно пренебречь, определяют из условий подобия

2. Для схематизации циклической диаграммы деформирования используют диаграммы статического растяжения, полученные при экстремальных температурах цикла (рис. 2.39, б). При этом основными

Таким образом, при известных значениях номинального напряжения ан , теоретического коэффициента концентрации напряжений аа и характеристик диаграммы статического деформирования т и GT коэффициенты концентрации напряжений в неупругой области Ка и АГе при статическом нагружении вычисляют по формулам (2.118) — (2.125), а по ним — действительные значения деформаций етах = = Кеен и напряжений отах=Каал в наиболее опасной точке элемента конструкции.

Рис. 2.66. Мгновенные диаграммы статического (а) и циклического (6) деформирования при различных температурах

Рассмотренные диаграммы статического и длительного статичес1 кого нагружения, малоциклового и длительного малоциклового деформирования используют для решения задач об определении НДС элементов конструкций.

Остановимся еще раз на понятии предела трещиностойкости /с [6]. Эту характеристику обычно получают в виде диаграммы трещиностойкости в координатах /с -егс (или ,/с -р, где Р- параметр нагрузки). Удобно введение относительных безразмерных координат вида 1С/К,С (или Iclfcma,t где /с т№ - наибольшее значение 11: в данном эксперименте), ас /сгв (или Рт, где Рт -параметр нагрузки в предельном по теории пластичности состоянии). Каждое значение /е на этой диаграмме получено по формуле для коэффициента К при разрушении образца с данной длиной трещины. Диаграмму трещиностойкости получают, испытывая серию образцов с длиной трещины от нуля до 0.8 ширины образца в сечении с трещиной.

исунок 3.7 - Диаграммы трещиностойкости 1С профилей разных размеров: а-

Полученные экспериментальные точки на диаграмме остаточной прочности и на диаграмме трещиностойкости можно использовать для записи интерполяционных уравнений, описывающих линии, проходящие через экспериментальные точки. Вид этих уравнений может быть разным, но желательно остановиться на одном уравнении (содержащем, разумеется, эмпирические константы). Впервые такое уравнение диаграммы трещиностойкости представлено в виде [25]

Рисунок 3.17 - Диаграммы трещиностойкости сталей при растяжении (а) и

Слева стоит известный для данной функции коэффициент интенсивности напряжений, а справа экспериментально найденный предел трещиностойкости в виде функции разрушающего напряжения 1с=1с(<ус), частный случай, которой записан в виде (3.63). По сути последнее выражение есть ни что иное, как уравнение диаграммы трещиностойкости (т.е. зависимость /с от стс). Теперь надо сказать о том, что механическая характеристика, полученная на стандартном образце, вовсе не обязана иметь ту же числовую величину и для некоторой конкретной детали. Особенно это относится к так называемым критическим и закритическим характеристикам [8]. Не останавливаясь здесь на пояснении этих двух определений, укажем только, что для большей достоверности и уверенности, что полученное уравнение диаграммы трещиностойкости /с =/с(<тс) действительно отражает сопротивление разрушению данной детали, желательно 1С определять на натурном или полунатурном образце, хотя бы в общих чертах отражающих форму элемента конструкции. Подобные эксперименты трудоемки, но затраты должны быть оправданы для конструкций уникальных (реакторы) или массовых (транспорт). В частности для типовых видов конструкций, возможно, определять так называемую / -тарировку (иначе, корректирующую функцию или конструкционный фактор Ч1), которая связывает предел трещиностойкости образца (т.е. материала) с пределом трещиностойкости элемента конструкции или детали по формуле

Полученные графики дают ориентировочную величину и форму диаграммы трещиностойкости. Наконец отметим, что в критериальное уравнение (3.62) можно ввести коэффициент запаса по пределу трещиностойкости т для определения допустимой длины трещины

Полученные экспериментальные точки на диаграмме остаточной прочности и на диаграмме трещиностойкости можно использовать для записи интерполяционных уравнений, описывающих линии, проходящие через экспериментальные точки. Вид этих уравнений может быть разным, но желательно остановиться на одном уравнении (содержащем, разумеется, эмпирические константы). Исторически первым [30] такое уравнение диаграммы трещиностойкости имеет

Остановимся несколько подробнее на расчетном уравнении Ki < Ic. Слева стоит известный для данной функции коэффициент интенсивности напряжений, а справа - экспериментально найденный предел трещиностойкости в виде функции разрушающего напряжения 1с = 1с (стс). По сути последнее выражение есть не что иное, как уравнение диаграммы трещиностойкости (т.е. зависимость 1С от ос). Теперь надо сказать о том, что механическая характеристика, полученная на стандартном образце, вовсе не обязана иметь ту же числовую величину и для некоторой конкретной детали. Особенно это относится к так называемым критическим и закритическим характеристикам. Не останавливаясь здесь на пояснении этих двух определений, укажем только, что для большей достоверности и уверенности полученное уравнение диаграммы трещиностойкости 1с = 1с (ас) действительно отражает сопротивление разрушению данной детали, желательно \с определять на натурном или полунатурном образце, хотя бы в общих чертах отражающих форму элемента конструкции. Для типовых видов конструкций возможно определять так называемый конструкционный фактор у, который связывает предел трещиностойкости образца (т.е. материала) с пределом трещиностойкости элемента конструкции или детали по формуле if^^if. Так, например, на основании экспериментов по растяжению плоских образцов разной ширины установлено, что

33. Баско Е.М. Диаграммы трещиностойкости строительных сталей в связи с размерами трещин и видом нагружения // Заводская лаборатория. 1990. № 12. С. 75-79.

Для оценки предельных параметров острых коррозионных повреждений предложена аналитическая зависимость для описания полной диаграммы трещиностойкости материала.

Желательна форма представления результатов испытания в виде диаграммы трещиностойкости в координатах /с-стс (или /с-/).

Существует понятие предел трешиностой-кости 1С [7]. Эту характеристику обычно получают в виде диаграммы трещиностойкости в координатах /с-сгс (или 1С-Р, где Р - параметр нагрузки). Удобно введение относительных координат вида Ic/Ki,. (или /с//с max, где 1С „ж -наибольшее значение 1С в данном эксперименте), CTC/CTB (или Рт, где Рт - параметр нагрузки в предельном по теории пластичности состоянии). Каждое значение /с на этой диаграмме получено при разрушении образца по формуле для коэффициента К при данной длине трещины. Для получения диаграммы испытывают серию образцов с длиной трещины от нуля до 0,8 ширины образца в сечении с трещиной.