Нестабильное разрушение

Процесс хрупкого разрушения может включать три этапа: возникновение трещины, медленное (стабильное) ее развитие и лавинообразное (нестабильное) распространение разрушения. В зависимости от материала, геометрии изделия и условий на-гружения продолжительность стадии медленного развития может быть различной: либо совсем отсутствовать, либо быть весьма длительной. В последнем случае отдельные конструкции допускают к эксплуатации с трещиной или трещиноподобным дефектом при условии контроля за их медленным развитием и своевременного предупреждения лавинообразного разрушения. Для этого необходимо знание скорости медленного развития и критического размера трещины, свыше которого начинается ее нестабильное распространение.

Значение Kic — константа, характеризующая свойства материала. При К\ ^ Ллс начинается нестабильное распространение хрупкой трещины.

Некоторые особенности распределения напряжений, полученные в предыдущем разделе и оценки прочности сварных элементов с угловыми переходами обусловленными смещением кромок: параметр У) не зависит от нагрузки, определяется лишь углом Р; при х -> О напряжения стремятся к бесконечности; для заданного дефекта поля напряжений определяются одним параметром К j, что позволяет выбрать величину K! в качестве критерия при оценке прочности. С ростом нагрузки величина КИН возрастает и при достижении некоторой критической наступает предельное состояние в вершине дефекта, в дальнейшем возможно нестабильное распространение разрушения. Таким образом, общая расчетная схема, принятая в механике разрушения сохраняется и в данном случае: К] = Кс*. Однако, заметим, что такой подход имеет следующий недостаток. Значение этого параметра Kc* и его размерность зависит от угла раскрытия р. Для расчетного определения прочности необходимо определять зависимость

В случае, если при циклическом нагружении имеет место нестабильное распространение трещины, до того как трещина достигнет значения ас, происходит определенное число скачков, чередующихся со стабильным ростом усталостной трещины. Тогда общая долговечность образца с трещиной будет определяться как

б) нестабильное распространение трещины, когда она достигает критического или закритического размера, приводящее к разрушению.

/—нестабильное распространение трещин; 2 —•-стабильное распространение трещин; 3 — нет распространения трещин

а) постепенный рост трещины (докрити-ческое подрастание до опасного размера). - б) нестабильное распространение трещи-иы, когда она достигает критического или закритического размера, приводящее к разрушению.

/ — нестабильное распространение трещин; 2 — стабильное распространение трещин; 3 — нет рас— простраиения трещин

При нагружении твердого тела пооцесс разрушения включает обычно три стадии — инициирование трещины, ее стабильный рост при возрастающей или постоянной нагрузке и нестабильное распространение трещины. Однако не во всех материалах реализуются все три стадии разрушения. В хрупких материалах, всегда имеющих внутренние дефекты, такие как слабые границы зерен в некоторых керамических материалах или поверхностные царапины в минеральном стекле или хрупких полимерных стеклах, представляющие собой зародышевые (начальные) трещины, две первые стадии могут отсутствовать. В менее хрупких материалах, таких как аморфно-кристаллические полимеры или пластичные металлы, нестабильному распространению трещин предшествует их инициирование и стабильный рост по механизму образования микротрещин в полимерах или скопления дислокаций в металлах. Однако, если инициирование и стабильный рост трещин протекают не всегда, то их нестабильное прорастание всегда является конечной стадией разрушения.

Нестабильное распространение трещины не произойдет до тех пор, пока не выполнится условие:

Разрушение твердого тела включает три стадии — инициирование субкритической трещины, ее медленный стабильный рост до критических размеров и, наконец, ее быстрое нестабильное распространение. Необязательно, что при разрушении проявляются все стадии. Например, общепризнано, что при разрушении стекол критические дефекты уже существуют в виде поверхностных трещин, и кратковременная прочность стекол определяется только третьей стадией. В пластичных металлах, в которых трещины инициируются накоплением дислокаций, разрушение проходит через все три стадии. Хрупкие густосетчатые полимеры, такие как отвержденные эпоксидные и полиэфирные смолы, по характеру разрушения ближе к минеральным стеклам, чем к пластичным металлам. Поэтому вероятно, хотя и не на все сто процентов, что их прочность определяется, как и прочность минеральных стекол, напряжением, необходимым для распространения уже существующих дефектов. Размеры этих дефектов можно грубо оценить по уравнению Гриффита. Типичные значения разрушающего напряжения для этих полимеров составляют примерно 100 МН/м2, модуля Юнга — 3 гН/м2, поверхностной энергии 150 Дж/м2. Расчеты по уравнению 2.1 дают размеры дефектов порядка 30—40 мкм. В наполненных полимерах существуют три возможных типа этих дефектов — дефекты, присущие структуре матрицы, размером с0, частицы наполнителя размером р и расстояние между частицами а. Если частицы наполнителя по размерам превосходят структурные дефекты матрицы и, особенно, если частицы имеют нерегулярную форму, то они могут стать наиболее опасными дефектами наполненных композиций. Если наибольшие значения Со и р меньше расстояния между частицами, то трещина может расти в матрице, преодолевая толыш ее поверхностную энергию разрушения, до величины, равной Тя, а затем трещина должна расти, преодолевая и

Итак, предельное состояние материала с усталостной трещиной в случае интенсивного коррозионного воздействия подобно по КИН ситуации при обычном процессе усталости и равенстве размеров зон пластической деформации, если доминирующий механизм разрушения материала в вершине трещины остается неизменным. Тем самым подразумевается существование характеристики материала в виде эквивалентного предела текучести материала. Уменьшение работы пластической деформации за счет деструкции материала перед вершиной трещины может быть рассмотрено через снижение предела текучести материала. Это означает, что нестабильное разрушение с меньшими затратами энергии как бы обусловлено уменьшением размера зоны пластической деформации.

ния в развитии усталостной трещины связан с понижением ускорения утраты устойчивости материала. Сохранение предыдущего масштабного уровня процессов деформации и разрушения приводит к быстрому разрушению. Далее будет показано, как такие ситуации могут быть реализованы на практике при нагружении элементов конструкций и что нужно предпринимать для предотвращения такой драматической ситуации. Второй переход отвечает нарушению принципа однозначного соответствия, и он также может быть предотвращен, если будут изменены условия нагружения. Наконец, наступает последняя точка бифуркации, когда начинается нестабильное разрушение. Ее нельзя избежать при росте трещины в случае постоянного нагружения элемента конструкции неизменной нагрузкой. Однако при создании конструкций с перераспределяющейся нагрузкой на другие элементы по мере роста трещины можно существенно отодвинуть момент (во времени и по длине трещины) наступления коллапса — окончательного разрушения элемента конструкции. Чтобы реализовать это на практике, необходимо представлять себе каковы именно кинетические закономерности развития усталостных трещин и каким образом они могут быть представлены математически с единых позиций на основе синергетического подхода в анализе эволюции открытых систем.

Нестабильное разрушение при росте трещины начинается в момент достижения предельного напряженного состояния материала, при котором уже не может быть реализовано ее стабильное подрастание в цикле нагружения. Предельный переход к нестабильному разрушению в условиях постоянной деформации и постоянного нагружения достигается при одной и той же величине предельного шага усталостной бороздки, поскольку именно ее величина характеризует свойство материала реализовывать работу пластической деформации и разрушения вплоть до достижения критического состояния, связанного с достижением неустойчивости в точке бифуркации. Это позволяет записать в случае постоянной деформации

щины для середины кинетической диаграммы использована скорость 2,1-10~7 м/цикл. Меньшая величина КИН для перехода от второй стадии роста трещин к ускоренному разрушению использована в связи с тем, что применительно к сталям средней и, тем более, высокой прочности нестабильное разрушение, как правило, происходит при достижении скорости около 10~7 м/цикл. Полученная указанным способом кинетическая кривая применительно ко второй стадии роста трещин представлена в табл. 5.4. В представленном виде ЕКД означает, что при совпадении напряженного состояния у кончика трещины и описываемого полностью эквивалентным КИН все получаемые кинетические кривые должны удовлетворять ЕКД, приведенной в табл. 5.4. Отклонение результатов эксперимента (совершенно естественное) указывает на то, что в расчете КИН не учтены полностью все факторы, которые в процессе нагружения (в совокупности) определяли реализованное напряженное состояние у вершины трещины. Это касается лабораторного опыта, когда известен весь набор факторов влияния на кинетику усталостных трещин и, тем более, относится к нагружению элемента конструкции в эксплуатации.

Влияние О2 на кинетику усталостных трещин в Ti-сплавах неоднозначно [82, 83]. В сплавах с 6 %-м содержанием А1 минимальная СРТ в области МНЦУ была получена при 0,18 %-м содержании О2, а в области МЦУ — при 0,16 %-м. Существенно, что при одинаковом содержании О2 в случае рекристаллизационного отжига нестабильное разрушение происходило при значениях КИН в 2 раза меньших, чем при стандартном отжиге.

Влияние неточности изготовления сварных соединений. Связь между остаточной прочностью при 77 К и относительным угловым перекосом при различной величине смещения свариваемых кромок относительно друг друга показана на рис. 7. Ни в одном случае не наблюдалось нестабильное разрушение; все образцы разрушались вязко по типу отрыва после общей текучести. Тем не менее даже при наличии углового перекоса в ПО % и смещения, равного 25 % от толщины плиты в сечении надреза, остаточная прочность была гораздо выше, чем ст0>2- Следовательно, остаточная прочность сплава 5083-0 нечувствительна к неточностям технологии изготовления. Оценка остаточной прочности. Оценку сплава 5083-0 проводят с точки зрения контроля качества, поскольку нестабильное разрушение не наблюдалось ни в одном случае. Поэтому подкомитетом RR 842 Японской научной ассоциации по судостроению приняты рекомендации по оценке и стандартным уровням остаточной прочности [6]. Для оценки остаточной прочности рекомендуется использовать разрывные образцы шириной не менее 400 мм с двусторонними надрезами. Так как на величину остаточной прочности основного металла и сварных соединений сплава 5083-0 мало влияют другие факторы, кроме ширины образца, необходимо принимать во внимание зависимость, выраженную уравнением (1). Поэтому в лабораторных условиях удобно использовать образцы для испытаний на растяже-жен»ь шириной 100 мм. Условие обеспечения вязкого разрушения после общей текучести в очень широких пластинах с надрезом (таким, какой может иметь место в натурных резервуарах для хранения ожиженных газов) на основном металле и в сварном соединении выражается зависимостью

Определение температуры нулевой пластичности (ТНП). Этот метод широко используется для определения температуры, при которой происходит хрупкое разрушение [3]. ТИП — наибольшая температура, при которой небольшая трещина может вызвать разрушение при напряжении, равном пределу текучести. Если известна ТНП, то можно использовать один из четырех расчетных критериев для определения условий, при которых возможно нестабильное разрушение [4]:

металлах, в отличие от кристаллических, движение трещины начинается в плоскости сдвига под углом ~45° К направлению приложения напряжения (рис. 8.27, зона А), затем трещина распространяется в направлении ширины ленты, а при достижении критического напряжения происходит нестабильное разрушение (рис. 8.27, зона В) [34].

Из рассмотренных выше результатов следует, что в описанном случае комбинированного воздействия напряжений разрушение при ползучести обусловлено эквивалентными напряжениями Мизеса. Таким образом, если принять нестабильное разрушение, при котором деформация становится бесконечно большой, в ка-

надреза больше, чем деформация гладких образцов. Как указано в разделе 4.2.3, при плоском деформированном состоянии, подобном состоянию цилиндрических образцов с надрезом, возникает большое стеснение деформации у основания надреза. Эквивалентное напряжение Мизеса а* в устойчивом состоянии даже у основания надреза становится меньше номинального напряжения а„. Поэтому деформирование надрезанных образцов выше некоторого уровня деформации становится затрудненным [39]. Следовательно, если сужение при разрушении гладких и надрезанных образцов большое, деформация при разрушении е/ и ef также большая, происходит образование шейки и возникает нестабильное разрушение, то наблюдается упрочнение, обусловленное наличием надреза. В частности, можно считать, что при испытании образцов с тупым надрезом из материала с высокой пластичностью проявляются указанные свойства. Кроме того, если трещина образуется, когда деформация у основания надреза достигает деформации разрушения е/, и распространяется, когда деформация у вершины трещины также достигает е^, и если е/ мала по величине, то наблюдается сильная тенденция к разупрочнению материала. Можно предполагать, что такое поведение присуще образцам с острым надрезом из материала с низкой пластичностью.

Считают, что трещина образуется в тот момент, когда каждая кривая достигает постоянной величины е^ и e?f. Если с учетом зависимости общей деформации ег и зернограничного скольжения ЕЬ от напряжения (см. разд. 3.3.2) рассмотреть прежде случай высокого напряжения (/), когда почти не происходит зернограничного скольжения, то можно отметить, что наблюдается транскристаллитное или нестабильное разрушение, обусловленное большой внутризеренной деформацией eg и е перед тем, как ЁЬ и eg достигнут е^ и е^. Следовательно, в этом случае надрез вызывает упрочнение.