книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов
..pdfА К А Д Е М И Я Н А У К У К Р А И Н С К О Й ССР
В.В. ПАНАСЮК
А.Е. АНДРЕЙКИВ
С.Е. КОВЧИК
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
К И Е В « Н А У К О В А Д У М К А » 1 9 7 7
Рецензенты
О. Я. Р о м а н и в, Я. Я. Р у с ин, ко
Редакция технической литературы
31101-235 ПМ221(04)-77 212-77
606
П16
УДК 539. 375
(g ) Издательство
«Наукова думка»,
1977
П Р Е Д И С Л О В И Е
Развитие техники непрерывно выдвигает перед наукой о прочности конструкционных материа лов новые проблемы и задачи. Это обусловлено тем, что общая тенденция в осуществлении тех нических замыслов и проектов всегда предус матривает использование материалов и сварных соединений с заданными физико-механическими свойствами — прочностью и пластичностью, жа ропрочностью и хладностойкостью, трещиностойкостью (способностью материала тормозить распространение в нем трещины), ударной вяз костью, необходимым сопротивлением малоцикло вому или многоцикловому разрушению и т. п. Изучение этих свойств является основной частью разработок в области создания новых материалов, совершенствования технологических процессов их производства и обработки, а также в области определения ресурса работы элементов конст рукций.
В последние десятилетия в машиностроении широко используются высокопрочные,' мало пластичные материалы, а также материалы сред ней прочности, которые, вообще говоря, доста точно пластичны при обычных условиях. Такие материалы в процессе эксплуатации при наличии различных охрупчивающих факторов (высоких скоростей нагружения, наводороживания, об лучения, различных концентраторов напря жений и т. п.), как правило, склонны к хрупко му разрушению, а именно к разрушению путем спонтанного распространения трещины без за метных предварительных пластических дефор маций. Поэтому при оценке работоспособности материала в конструкции необходимы данные
о сопротивлении материала хрупкому разрушению, особенно в тех случаях, когда в конструктивном элементе (детали из данного материала) имеется ос трый концентратор напряжений — дефект типа трещины — и когда такой элемент подвергнут совместному воздействию силовых полей и физико химических факторов, приводящих к повышению склонности материала к хрупкому разрушению.
Изучение явлений хрупкого разрушения материалов стало особо актуаль ным в связи с фактами разрушения крупных конструкций именно по хруп кому механизму (путем распространения трещины), несмотря на то что ус ловия их прочности в рамках классических подходов (по упругому или плас тическому состоянию) были удовлетворены. Эти факты привели к созданию методов и средств определения сопротивления конструкционных материалов хрупкому разрушению, а также к разработке теории прогнозирования ра ботоспособности тел (элементов конструкций), ослабленных дефектами типа трещин. Результаты исследований и рекомендаций в этой области науки о прочности материалов и конструкций составляют теперь ее новую ветвь — механику хрупкого разрушения. Усилиями многих ученых уже достигнут значительный прогресс как в области теоретических трактовок и количест венного описания явлений хрупкого разрушения, так и в области инженер ных приложений теоретических результатов.
В СССР и за рубежом опубликован ряд обобщающих трудов, посвящен ных анализу важнейших достижений по механике хрупкого разрушения Ч Однако к настоящему времени еще не разработаны в достаточной мере ме тоды определения характеристик трещиностойкости конструкционных ма териалов, т. е. методы определения характеристик сопротивления материала развитию в нем трещины.
В качестве количественных характеристик сопротивления материала распространению в нем трещины принимают такие показатели:
а) |
|
удельную энергию (у), необходимую для образования свободной по |
||||||
верхности данного материала при заданных условиях; |
|
|
|
|||||
б) |
предельное значение коэффициента |
интенсивности напряжений (# lc) |
||||||
при страгивании трещины, когда в окрестности ее вершины имеет место со |
||||||||
стояние |
плоской деформации; |
|
|
|
|
|
|
|
в) |
|
критическое значение раскрытия трещины (6К) в ее тупиковой части. |
||||||
Наиболее широко в инженерной практике используется характеристика |
||||||||
tfic, ее часто называют вязкостью разрушения. Это, по-видимому, обуслов- |
||||||||
1 См., |
например: Fracture. An Advansed |
treatise. Ed. dy N. Liedowitz- |
||||||
1—7, N. Y .— Ld., Asad, press, 1968—1972. 4638p; |
Панасюк В. В . Предельное |
|||||||
равновесие |
хрупких тел с трещинами. К., |
«Наук, |
думка», |
1968. |
245 с; |
|||
Савин Г. Я. Распределение напряжений около отверстий. |
К., «Наук, |
дум |
||||||
ка», 1968. |
887 с; Сроули Дж., Браун У. Ф. Испытания высокопрочных |
мате |
||||||
риалов на вязкость разрушения при плоской деформации. М., |
«Мир», 1972. |
|||||||
246с; Седов Л. И. Механика сплошных сред. Т. 2. М., «Наука», 1973. 584 с; Чере |
||||||||
панов Г. Я. Механика хрупкого разрушения. М., |
«Наука», 1974. 640 с; Пар- |
|||||||
тон В . 3., Морозов Е. М. Механика упруго-пластического |
разрушения. М., |
|||||||
«Наука», |
1974. 416 с; Сервисен С. В . Сопротивление материалов усталостно |
|||||||
му и хрупкому разрушению. М., Атомиздат, 1975.190 с; |
Панасюк В. В,, |
Сав- |
||||||
рук М. Я ., |
Дацышин А. Я. Распределение |
напряжений |
около трещин в |
|||||
пластинах |
и оболочках. К., «Наук, думка», |
1976. 345 с. |
|
|
|
лено тем, что значения характеристики Я1с тем выше, чем больше вязкая, волокнистая часть поверхности разрушения. Однако понятие «вязкость разрушения» является более широким и характеризует ворбще ресурс плас тичности данного материала при его разрушении. Мерой этого ресурса плас тичности — вязкости разрушения — служат степень волокнистости из лома, ударная вязкость, относительное удлинение или сужение образца (в том числе, может быть, и величина 7Г1с) и т. п. Поскольку эти данные, кроме Я 1с, не связаны прямо с инструментом хрупкого разрушения — тре щиной, по-нашему мнению, физически более оправданным для обозначения характеристики сопротивления материалов распространению трещины яв
ляется термин |
«трещиностойкость». Этим термином и будем пользоваться |
|
в дальнейшем |
для |
обозначения характеристик сопротивления материала |
распространения в |
нем трещины. |
В данной книге излагаются главным образом результаты исследований авторов по созданию эффективных методик определения характеристик трещиностойкости (у, # 1с, 6К) материалов и рекомендации для инженерной практики. В основе предлагаемых методик находится испытание цилиндри ческого образца с внешней кольцевой трещиной на растяжение, изгиб или усталостное разрушение путем кругового изгиба. Значительное внимание уделено проблеме динамических (ударных) испытаний образцов с трещина ми, а также построению диаграмм усталостного разрушения.
Глава I имеет вводный характер: в ней изложены основные положения механики хрупкого разрушения, краткий анализ методов определения трещиностойкостп материалов и некоторые соотношения механики сплошных сред, необходимые в дальнейшем.
Во II, III и V главах дано решение задачи о предельном равновесии ци линдра с внешней кольцевой трещиной, когда такой цилиндр подвергнут осевому растяжению или изгибу. При этом для указанной задачи установ лены значения коэффициентов интенсивности напряжений, условия суще ствования состояния плоской деформации в окрестности контура трещины и т. п. Задача о растяжении цилиндра с кольцевой трещиной рассмотрена также в рамках 6к-модели и установлены соотношения, связывающие крити ческое раскрытие трещины 6К с силовыми и геометрическими параметрами этой задачи. Рассмотрена динамическая задача о растяжении цилиндриче ского образца с мелкой кольцевой трещиной. Для некоторых случаев приве дено сопоставление теоретических и экспериментальных данных.
В IV главе исследована кинетика усталостного распространения тре щины и даны рекомендации для прогнозирования долговечности элементов конструкции при усталости на основе предложенных диаграмм усталостного разрушения цилиндрических образцов пз данного материала.
Анализ основных подходов к определению характеристик трещиностойкости материалов при статическом растяжении образцов, в том числе и цилиндрического с кольцевой трещиной, методик образования кольцевых трещин, проведения эксперимента, а также нахождения значений у и K ic для некоторых материалов дан в главе VI. Здесь же описаны оборудование и методика определения критического раскрытия трещины 6К.
Глава VII посвящена динамическим испытаниям (на ударную вязкость) образцов с трещинами, а глава VIII — усталостным испытаниям цилцндри-
ческого образца с трещиной и построению диаграмм усталостного разруше ния. В этой главе показано, как на основании таких испытаний можно оп ределить трещиностойкость Я1с и долговечность материала в конструкции при циклическом нагружении.
В приложении изложены рекомендации по стандартизации методики определения значений # 1с, а также приведены таблицы этой характеристики для ряда конструкционных материалов.
В книге приведено ограниченное число необходимых литературных источников, имеющих непосредственное отношение к существу излагаемого предмета. Более полные сведения о литературе можно найти в упомянутых ранее (см. с. 6) монографических трудах.
Авторы выражают признательность сотрудникам Физико-механического института АН УССР, оказавшим помощь при подготовке настоящей книги.
Г Л А В А
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ И МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД
К настоящему времени в СССР и за ру бежом усилиями многих ученых осуществлены важные исследова ния явлений хрупкого разрушения твердых тел как в плане ре шения соответствующих краевых задач механики и создания физи чески более обоснованных критериев разрушения, так и в области разработок методов оценки склонности конструкционных материа лов к хрупкому разрушению (см., например, обзоры в работах [9, 82, 118, 145]). Необходимость в таких исследованиях обуслов лена, с одной стороны, тем, что высокопрочные конструкционные материалы (например, жаропрочные сплавы, упрочненные стали, металлокерамические материалы, некоторые пластмассы), как правило, являются хрупкими материалами, т. е. такими, которые уже при нормальных температурах и малых скоростях нагружения разрушаются путем распространения трещины без предваритель ных пластических деформаций макрообъемов тела. (При низких температурах, повышенных скоростях нагружения, воздействии некоторых поверхностно-активных сред, наводороживании и в других условиях, приводящих к ограничению пластического те чения конструкционного материала, его разрушение путем рас пространения трещины доминирует). С другой стороны, реальные условия эксплуатации конструкции всегда предусматривают на личие некоторой жидкой или газовой среды. Эта среда проникает в деформируемое тело (элемент конструкции) через его структур ные несовершенства — дефекты (макроили микротрещины, гра ницы зерен, включений) и особенно интенсивно взаимодействует с участками тела, деформированными за предел упругости. К таким участкам относятся окрестности резких концентраторов напря жений (трещины, остроконечные полости или жесткие включения и др.). Именно в окрестности подобных дефектов среда, изменяя физико-механические свойства деформируемого материала, в пер вую очередь его сопротивление зарождению и развитию трещины, оказывает существенное влияние на служебные свойства (несущую способность) рабочего тела в целом.
Актуальность изучения процессов |
распространения трещин |
||
в конструкционных материалах обусловлена |
в |
значительной |
|
мере еще и тем, что случаи разрушения |
инженерных |
конструкций |
|
в том числе сварных соединений, особенно когда |
применяются вы |
сокопрочные материалы или крупногабаритные элементы конструк ций, свидетельствуют о недостаточности известных классических критериев оценки прочности материалов только по упругому или пластическому состоянию [138].
Анализ таких разрушений показывает, что их причиной яв ляются, как правило, дефекты типа трещин, а также недостаточное сопротивление материала распространению в нем трещин при воз действии заданных эксплуатационных факторов (температура, сре да, скорость нагружения, характер и длительность действия на грузки и т. д.). Поэтому возникает прямая необходимость в опре
делении |
величины сопротивления материала распространению в |
||||
нем трещины (его трещиностойкости) и учете значений |
этой ха |
||||
рактеристики |
при оценке |
служебных свойств материала в кон |
|||
струкции |
при |
заданных |
условиях его |
эксплуатации. |
Это одна |
из важнейших задач механики хрупкого |
разрушения |
конструк |
|||
ционных |
материалов. |
|
|
|
|
|
|
1. |
Вводные замечания |
|
|
|
|
Расчет на прочность и долговечность эле |
ментов конструкций в рамках механики хрупкого разрушения можно разбить на следующие этапы:
определение формы, размера и местоположения наиболее опас ного трещиноподобного дефекта;
выбор критерия локального разрушения в зависимости от типа материала, конструкции и характера нагружения;
установка закономерностей усталостного (докритического) распространения трещины в заданном материале;
определение напряженно-деформированного состояния элемен та конструкции, ослабленного дефектом заданной конфигурации; экспериментальное установление характеристик трещиностой кости заданного материала при внезапном (спонтанном) и уста
лостном распространении трещины; вычисление величины критического размера трещины (или
критической нагрузки), а также долговечности работы конструк ции при нагрузках ниже критической.
Решение всех вопросов на первом этапе основано на лабора торных и натурных наблюдениях за поведением материала под нагрузкой и во многом зависит от интуиции инженера, а также на личия методов неразрушающего контроля дефектности материала в конструкции. Заметим, что в этом плане развитие неразрушаю щих методов контроля параметров дефектности материала в кон струкции представляет весьма значительный практический интерес.
Второй этап является самым ответственным и трудным. Он фактически включает основные положения механики хрупкого разрушения — критерии локального разрушения.
Накопленный к настоящему времени экспериментальный и те оретический материал дает возможность сформулировать кри терии локального разрушения для широкого класса конструкци онных материалов. Наиболее простым в практическом применении является критерий Гриффитса — Ирвина [193]. Однако этот кри терий применим только при выполнении определенных условий (условий автомодельности) распространения достаточно больших трещин в случае хрупкого и квазихрупкого состояния материала. Если условия автомодельности зоны предразрушения в окрест ности контура трещины не выполняются, то критерий Гриффит са — Ирвина неприменим и тогда необходимо пользоваться дру гими критериями, например критерием критического раскрытия трещины (KPT-критерий), который является составной частью известной бк-модели [82]. По сравнению с критерием Гриффитса — Ирвина, KPT-критерий (как и сам процесс квазихрупкого разру шения) более сложный. Вместе с тем этот критерий может быть применен для самого широкого класса конструкционных материа лов. Критерий Гриффитса — Ирвина и KPT-критерий составляют в настоящее время физическую основу современной теории трещин.
Вопросы, которые возникают на третьем этапе расчета на проч ность и долговечность, еще мало изучены и не нашли достаточно полного теоретического описания. На основании анализа резуль татов большого числа экспериментальных исследований (см., например, [145]) установлено, что одной из основных характеристик усталостного распространения трещин являются так называемые диаграммы усталостного разрушения (ДУР), которые представ
ляют |
собой графическую |
зависимость скорости распростра |
нения |
усталостной трещины |
от величины коэффициента интен |
сивности напряжений. В гл. IV и VIII настоящей работы предла гаются методики построения таких диаграмм на основании исследования усталостного распространения внешней кольцевой трещины при циклическом изгибе цилиндрического образца.
Последующие этапы расчета на прочность и долговечность эле ментов конструкций в рамках механики хрупкого разрушения связаны с решением соответствующих задач о предельно-равновес ном состоянии тел с трещинами (задач теории трещин) и с экспе риментальным определением характеристик сопротивления ма териала распространению в нем трещины. Решения двумерных задач такого класса в рамках указанных моделей эффективно осу
ществляют |
на основе известных методов Колосова — Мусхели- |
|
швили |
[72] |
или других, разработанных в настоящее время мето |
дов |
в частности численных методов. Эти методы с достаточной |
См.: В. В. Панасюк, М. П. Саврук, А. П . Дацышин. Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. К., «Наук, думка», 1976. 444 с.
точностью дают решение широкого многообразия упомянутых задач.
Пространственные задачи теории трещин, как и вообще задачи трехмерной теории упругости, изучены недостаточно. Здесь са мым эффективным следует считать метод интегральных уравнений
всочетании с интерполяционными и численными методами. При использовании аналитических решений задач теории тре
щин в инженерной практике необходимы данные о тех характерис тиках материала, которые описывают процесс локального разру шения — распространение трещины. В настоящее время создано множество экспериментальных методик (см. [9, 82, 118, 145]) для определения характеристик трещиностойкости конструкцион ных материалов при внезапном и усталостном распространении трещины. Некоторые из этих методик рекомендуются как стандарт ные (см. проект британского стандарта [9]). Известные мето дики имеют, однако, некоторые недостатки, в частности для пред ложенных схем нагружения затруднительно установить условия выполнения автомодельности зоны предразрушения, использовать одну и ту же схему нагружения для определения различных пара метров (ific, у, 6К) трещиностойкости материала и др.
В настоящей работе сделана попытка на базе цилиндрического образца с внешней кольцевой трещиной разработать универсаль ную методику для экспериментального определения указанной выше совокупности характеристик трещиностойкости конструк ционных материалов. Преимущество этой методики перед другими заключается не только в ее универсальности, но и в эффективности по каждому методу испытания..
Следует отметить, что проводимые исследования на всех этапах расчета на прочность взаимосвязаны между собой, а также допол няют друг друга. В случае, когда известны результаты необходи мых исследований в рамках механики хрупкого разрушения, рас чет конструкции на прочность и долговечность может быть осу ществлен без особых затруднений.
2. Критерии локального разрушения
Разрушение твердого тела, как известно, называют хрупким, если деформации тела упругие вплоть до его разрушения. В случае, когда разрушение сопровождается значи тельными пластическими деформациями во всем наиболее напря женном сечении тела (кинематическом сечении разрушения), разру шение называют вязким. Это два крайних вида разрушения твердых тел. В промежутке между ними есть другие виды разрушения, которые определим с позиций теории распространения трещин в деформируемом твердом теле. С этой целью рассмотрим напря женно-деформированное состояние твердого двумерного тела с
трещиной и введем следующие обозначения (рис. 1,а): а — харак терный линейный размер трещины; х0 — характерный линейный