книги / Практическое применение механики разрушения для оценки прочности конструкций

в таких испытаниях были полностью воспроизведены заданные эксплуа­ тационные требования и чтобы было испытано достаточное количество агрегатов для возможности достоверного определения зависимости между разрушающим напряжением, свойствами материала и жест­ костью дефектов. Аналогичные результаты могут быть получены при ис­ пытании до разрушения моделей или элементов агрегатов, имеющих натурные толщины, условия нагружения, приближающиеся к реальным, и типичные дефекты.

Представляется возможным также использовать результаты испы­ таний на растяжение широких плит [10, 1 1 ]. Эти испытания должны проводиться на конкретных материалах с применением производствен­ ной технологии сварки, действительных толщин и острых надрезов в основном, околошовном и наплавленном металле, а также в зоне сплав­ ления. Результаты испытаний широких плит необходимо уточнять по испытаниям до разрушения натурных изделий или их моделей.

Более общий и экономный подход для выбора материалов по перво­ му методу заключается в развитии и обосновании теоретической мо­ дели, которая позволяет приложить результаты испытаний специальных образцов к проектированию реальных конструкций в такой мере, чтобы точно предсказать для конкретных материалов и технологии их производ­ ства связь между разрушающими напряжениями и размерами дефектов. Такие подходы, основанные на теории как линейной, так и нелинейной механики разрушения, будут обсуждены ниже.

Первый метод пригоден при выборе материалов для конструкций, как подвергаемых, так и не подвергаемых после изготовления терми­ ческой обработке, например для вращающихся элементов машин, со­ судов давления и трубопроводов, находящихся под давлением газа, смесей сжиженных газов или жидкости при температуре выше ее точ­ ки кипения в атмосферных условиях, т.е. для конструкций, обладаю­ щих при эксплуатации значительным запасом внутренней энергии.

Второй метод основан на допущении возможности возникновения трещины в зоне местных локальных напряжений и местного охрупчива­ ния. Однако распространение трещины из этой зоны должно быть за­ держано до тех пор, пока она не достигнет критических размеров в основном металле при напряжениях, которые равны номинальным на­ пряжениям конструкции. В этом случае хрупкое разрушение в меньшей степени зависит от свойств материала в локальных зонах и связано в основном с общими свойствами материала конструкции, уровнем напряжений в ее элементах, запасом упругой энергии и податливо­ стью изделия. Этот метод дает возможность выбора материала с удовлетворительными свойствами по остановке трещины, т.е. критери­ ем должна быть температура остановки трещины. Возможность ис­ пользования для выбора материалов данных по остановке трещины основана на предположении, что условия остановки трещины при ла­ бораторных испытаниях соответствуют условиям ее остановки в кон­

струкции, т.е. они не связаны с элементами конструкции. Эксперимен­ тальные работы, проведенные на разных машинах, при различных спо­ собах создания начальной трещины, с различной шириной образца, по­

Р и с. 2 9 . Обобщенная диаграмма анализа разрушения по Пеллини и Пьюзаку

1 — наименьшая температура, при которой разрушение не развива­ ется от начала трещины в пластически деформированный материал; 2 — наибольшая температура, при которой трещина распространяется в упругонагруженную часть плиты; 3 — область пластичного нагружения; 4 —

область упругого нагружения; 5 -	предельная температура,	при к ото ­
рой разрушение не развивается;	6 — направление увеличения размеров
дефектов; 7 - предельное напряжение; 8 - малый дефект;		— номи­

нальное растягивающее напряжение; пунктирными линиями показаны начальные кривые, определяющие напряжения разрушения для спектра размеров дефекта

личных размеров) и результатов лабораторных испытаний падающим грузом для определения температуры нулевой пластичности (ТНП), а также взрывных испытаний, которые определяют температуру перехо­

да к разрушению в		упругом состоянии (ПРУ) и температуру перехода
к разрушению в	пластическом состоянии (ПРП). Упомянутые виды ис­
пытаний описаны	выше.
Было доказано,		что температура ПРУ соответствует ТОТ при на­
пряжениях, равных		пределу текучести материала	При больших
напряжениях кривая		ТОТ должна продвигаться от точки	ПРУ в об­

ласть более высоких температур, в конце концов достигая точки ПРП при напряжениях, равных пределу прочности материала d B . При мень­ ших напряжениях кривая ТОТ должна снижаться от точки ПРУ в об­ ласть более низких температур, приближаясь к точке ТНП при напря­ жениях, меньших 1 /4 6 0 ^ Испытания на остановку трещины типа Робертсона подтверждают прохождение этой кривой между точками

ПРУ и ТНП. Как правило, температура	ПРУ могла быть найдена из
соотношения ТНП +33 С, а температура	ПРП - из соотношения ТНП
+ 66°С .

Р и с. 3 0 . Улучшенная диа­ грамма анализа разрушения, предложенная Николсом и учи­ тывающая толщину материала

а - кривые			неустойчивого
роста трещины с				дефектом
размером		7 5	мм	(1 ),	1 5 0 мм
(2),	3 0 0	мм	(3 ), 6 0 0		мм
(4 );	б -	кривые		остановки
трещины для плиты толщиной
50	мм (5 ), толщиной 1 0 0 мм
( 6 )

Р и с. 3 1 . Диаграмма ана­ лиза разрушения корпуса чехословацкого реактора, построенная по данным ис­ пытаний на остановку тре­ щины и на растяжение плас­ тин с острым надрезом

1 - предел прочности да пластинах без надрезов; 2 - предел прочности пластин с надрезами (А^=12, глубина надреза - 8 0 мм); 3 - предел текучести пластин с над­ резами; 4 — предел текуче­ сти пластин без надрезов; 5 - зависимость температу­

ры остановки трещины (ТОТ) от приложенного напряжения

нение диаграммы в этом Случае упрощается определением температу­ ры остановки трещины как ТНП + 33 С. При указанной температуре обычно проводится гидрон&ессовка сосудов.

Следует отметить, чЧЧ? использование диаграмм разрушения типа Пеллини - Пьюзака применительно к сосудам давления, а также к кор­ пусам атомных реакторон рекомендовано стандартами в США [5 5 ], ФРГ [5 6 ] и ЧехословакЛИ [57] , несмотря на некоторые опасения, подтвержденные позже.

По результатам испытаний на остановку трещин и на растяжение плит натурной толщины о острыми надрезами и без них Кална [5 8 ] построил диаграмму анаДИза разрушения, приведенную на рис. 3 1 и представленную для выбора напряжений в корпусе чехословацкого атом­ ного реактора. Кална Tait>ke подтвердил, что для стали А2 по мере роста толщины плиты до 1 50 мм температура остановки трещины

фекта размером 1 3 0 мм построена по минимальным результатам ис­ пытаний дисков с азотированными надрезами, а кривые для меньших •дефектов рассчитаны с использованием теории линейной механики раз­ рушения, т.е. по формуле Зака, упомянутой в [5 9 ] , для круглой тре­ щины в теле бесконечных размеров, если трещина перпендикулярна максимальным главным напряжениям. Диаграммао представляет инте­ рес потому, что при избыточной температуре +18 С определяется граница между зонами, в которых при наличии дефектов в роторных конструкциях возможно либо хрупкое разрушение, либо только вязкое разрушение. Однако авторы [5 9 ] не утверждают, что вязкое раз­ рушение может произойти только при очень высоких напряжениях. В

зоне вязкого разрушения	они выделяют область		разрушающих напря­
жений приблизительно от	предела текучести		до предела прочно­
сти 6В материала, если	пластичность	материала	нормальная,и область
разрушающих напряжений от 0,7 6^ ^		до	при малой пластично­
сти материала.	'	’

При проектировании новых агрегатов не представляется возможным применить полуэмпирические диаграммы анализа разрушения типа Пеллини - Пьюзака, поскольку для их построения требуется проведение большого числа экспериментов по каждой толщине сечения и марке

материала,	что свидетельствует		о недостаточной теоретической обо­
снованности	таких	диаграмм.	Поэтому возникла необходимость

разработок теоретического плана, определяющих процесс разрушения конструкций с дефектами, для того чтобы получить возможность ко­ личественной оценки опасности дефекта и, естественно, уменьшить не­ обходимость исправления незначительных дефектов.

Одним из наиболее интересных направлений, сформировавшихся за последние годы, является так называемая линейная механика разруше­ ния, развиваемая Ирвином [6 0 ]. Большое внимание уделяется также проблеме разрушения относительно вязких материалов, содержащих трещины, которая основана на измерении раскрытия вершины трещины [6 1 ]. Эти направления наряду с другими подходами рассматриваются в следующих главах.

Р и с.	3 3 .	Схематическое			представление
процесса		использования механики разру­
шения для оценки склонности материалов
к развитию трещины. До точки А исполь­
зуется критерий				между точками А
и В используется критерий критического
раскрытия трещины				8С ,	за точкой В
наблюдается пластический					срез
1	- область		упругих разрушений; 2			-
область пластических разрушений; 3 -						область		подрастания трещины;
4 -	К	; 5 - КРТ;		6 -	пластический	срез;	Р	- усилие;	б - смещение
[15,	16,	6 2 ] ,	так и с учетом пластической				деформации у		кончика
трещины		[ 1 7 ] .	Однако в соответствии			с целью настоящей			работы

здесь основное внимание уделяется критериям, предложенным Ирвином и Уэллсом, поскольку их практическое приложение разработано наибо­ лее полно.

Современные представления по разрушению тел с дефектами идут от энергетической теории распространения трещин Гриффитса [6 3 ] , ос­ нованной на предположении, что существующая в теле трещина стано­ вится неустойчивой или нестабильной, если полная энергия системы при этом уменьшается. Для хрупких материалов типа стекла или кера­

мики эта	теория, критерием которой являлась энергия поверхностного
натяжения	Т , дает правильную зависимость между разрушающим напря­
жением 6	и размером	дефекта I в пластинке единичной толщины в
виде
6 -				(И.1)
Здесь	напряжение	6 определяется без	учета	влияния трещины и
приложено перпендикулярно трещине длиной			2 1 ,	Е - модуль упругости

материала. Состояние нестабильности заключается в следующем. В процессе нагружения в теле с трещиной при отсутствии ее роста уве­ личивается запас упругой энергии деформации. При достижении крити­ ческой нагрузки, т.е. когда наступает момент нестабильности, проис­ ходит быстрое движение трещины, для которого не требуется подвод дополнительной энергии. В этом случае необходимая для роста трещи­ ны энергия целиком обеспечивается за счет освобождения части на­ копленной энергии деформации, поскольку удельная деформация, т.е. деформация на единицу нагрузки, увеличивается за счет уменьшения площади сплошного сечения тела, а способность тела к накоплению энергии деформации по той же причине уменьшается.

Ирвин [6 0 ] показал, что для металлов момент нестабильности характеризуется равенством освобождающейся части энергии деформа­ ции и энергии поверхностного натяжения вместе с работой, затрачен­ ной на пластическую деформацию. Причем обнаружено, что работа по

963 4