Сварные конструкции (часть 1) (Сварные конструкции), страница 22

εecp.p = ө _Ps/(2l), (3.39)

где ө_р—угол поворота, рад; s — толщина металла; I—ширина ослабления для образцов с полным проваром. Рекомендуется принимать I = s, тогда

ε_ср.р = өр/2 (3-40)

Если разрушение образца произошло внезапно, то по зареги­стрированному перемещению f_р в момент разрушения прибли­женно вычисляется ө_р = f_p/L, где L — расстояние от плоскости концентратора до точки контакта штока с образцом.

Схема испытания на рис. 3.35, д может быть использована для определения свойств металла стыкового шва в присутствии кон­центратора типа непровара (рис. 3.35, в). При непроваре более 30—35 % от толщины металла ослабление / можно не создавать. В образцах с непроваром из низкоуглеродистых и низколегиро­ванных сталей, как показывают экспериментальные исследования, величина е_срр может быть приближенно вычислена по

ε_ср._р≈0,8ө _р.(3.41)

Показатель пластичности ε_срр характеризует не только пла­стические свойства металла, но также и влияние радиуса концентратора, угла ее перехода от шва к основному металлу в образ­цах (рис. 3.35, а, б), толщины металла s или шва S1. Таким обра­зом, ε_срр отражает совместное влияние различных параметров сварного соединения, в том числе и механической неоднород­ности, вызванной термическим и деформационным циклами сварки. Для образца с непроваром может быть вычислен критический

Рис. 3.36. Схема испытаний двух скреп­ленных между собой образцов

коэффициент интенсивности деформаций V_p по формуле (3.37). Коэффициент V_p отра­жает только свойства метал­ла и геометрические особен­ности зоны конца непровара (радиуса непровара). Значе­ния V_p могут использоваться как характеристики сопро­тивляемости зоны концентра­ции сварных соединений раз-

рушению, отражающие влияние термического цикла сварки и радиусов перехода к основному металлу, и применяться для вы­бора технологии, режимов сварки и термической обработки.

При ударных испытаниях момент образования трещины заре­гистрировать трудно. В этом случае может быть применена схема испытания нагружением силой Р двух образцов, соединенных жестко между собой (рис. 3.36), при которой пуансон имеет пло­скую площадку и тем самым обеспечивает равные деформации обоих образцов вплоть до разрушения одного из них. По изгибу неразрушившегося образца определяют ε_ср.

Кроме рассмотренных выше силовых и деформационных харак­теристик сопротивляемости металла зарождению трещины в кон­центраторе используют также энергетические характеристики: работу зарождения трещины A₃ (Дж) и энер­гию зарождения трещины G₃ (Дж/м²). Работу за­рождения трещины A₃ можно определять на образцах разнообраз­ной формы и размеров, но эта характеристика сильно зависит от вида образца и может использоваться только для сравнитель­ных испытаний различных металлов, зон сварных соединений при неизменном типе и размерах образца. Для этой цели часто исполь­зуют призматические образцы сечением 10 X 10 мм и длиной 55 мм с односторонним надрезом глубиной 2 мм, которые испытывают на изгиб, нагружая образец силой Р и измеряя прогиб f. Схема испытаний и диаграмма представлены на рис. 3.37. Площадь ОАВ пропорциональна работе изгиба образца до появления трещины; площадь ABC пропорциональна упругой энергии, накопленной в образце к началу его разрушения; площадь BAD характеризует работу А_р, затрачиваемую на распространение трещины по телу образца. Существует ряд методов для определения ФA₃ и А_р [23).

Энергия зарождения трещины G₃ от концентратора тесно свя­зана с величинами G_c и Gj_c, определение которых рассматрива­ется¹ ниже применительно к стадии начала движения трещины. ОтЯЙчие их состоит в том, что G_c и G_fc относятся к стадии начала движения разрушения от имеющейся трещины, a G₃— к моменту появления трещины от какого-либо концентратора.

Начало движения имеющейся трещины. При растяжении беско­нечной пластины с трещиной длиной I трещина начинает распро­страняться после того, как напряжение а достигло определенного (критического) уровня, при котором соблюдается равенство при­ращений работы, поглощаемой на разрушение металла, и энергии упругих деформаций пластины, освобождающейся при подрастании

Рис. 3.37. Определение работы зарождения Л,

и работы распространения А_р трещины лри

изгибе надрезанного образца

трещины. Впервые ука­занное энергетическое условие для идеализи­рованной схемы разру­шения рассмотрел Гриф­фитс. Тело предполага­ется идеально хрупким, т. е. энергия расходует­ся только на образова­ние новой поверхности (поверхностного натяже­ния). Если в сплошной

растянутой пластине толщиной, равной 1, образовать трещину длиной l, то потенциальная энергия в пластине уменьшится на

U = π/²σ²/(4Е).(3.42)

Появление новых поверхностей сопровождается затратами энер­гии

U_nm = -Gl, (3.43)

где G—энергия поверхностного натяжения. Суммарное изменение энергии составит

U_z= πl²σ²/(4E)-Gl. (3.44)

Если энергии будет освобождаться больше, чем поглощаться, трещина начнет самопроизвольно двигаться без увеличения напря­жения. Это соответствует моменту равенства приращений энергии, т. е.

∂UΣ

∂l = 0. (3.45)

Дифференцируя (3.44), получаем

π/σ²/(2E)-G = 0.(3.46)

Отсюда получим формулы для критического напряжения и кри тической длины трещины:

σ_кр=√2GE/(πl) ;(3.47)

l_кр = 2GE/(πσ²). (3.48)

Из (3.46) также получим критическое значение энергии

G_c =π/σ²/(2E).(3.49);

Подобные выкладки справедливы и в том случае, если считать что энергия расходуется не только на создание поверхностного натяжения, но и на пластическую деформацию металла у конщн трещины. Это формально не изменяет ход рассуждения. Такии-образом, при испытании образца в виде пластины с трещино? достаточно зарегистрировать значение напряжения в момент на­чала движения трещины, чтобы вычислить затем по формуле (3.49] характеристику металла G_c. Для оценки свойств металла исполь­зуют также критический коэффициент интенсивности напряже­ний К_с — силовую характеристику, связанную с полем напря­жений у конца трещины:

Kc=√GcE (3.50)

С учетом (3.49) получим

K_c = σ√πl /2(3.51)

Не следует смешивать начало движения трещины, связанное с разрушениями частиц металла по мере роста нагрузки и зоны пластических деформаций у конца трещины, с началом движения трещины по энергетическому условию, когда напряжения в образце достигают максимально возможного для конкретного образца значения.

Зависимость (3.50), если выполняются условия плоской дефор­мации, записывается следующим образом:

K1c =√G1CE/(1-μ²).(3.52)

При испытании натружением силой Р образцов крупных раз­меров их разрушение наступает внезапно на линейном участке диаграммы (рис. 3.38, а) и определение K1_c и G_1c как раз соот­ветствует моменту максимальных средних напряжений о_с. Пере­мещение v регистрируют напротив надреза с трещиной на базе АВ (рис. 3.38, в, г). Если при определении K_1c и G_1c используют образцы меньших размеров, то либо условия плоской деформации выдер­живаются не полностью, либо область пластических деформаций у конца трещины становится большой и диаграмма перестает быть линейной (рис. 3.38, б). В этих случаях энергетические за­траты на разрушение крупного образца и образца ограниченных размеров до состояния, соответствующего точке С, могут не совпа­дать. Поэтому применяют условную процедуру обработки резуль­татов испытаний, проводя линию ON на 5 % ниже линии упругого участка, и для определения K1c и Gj_c берут напряжение o_Q. Достоверность найденной величины проверяют по дополнитель­ным признакам, изложенным в [20]. Величины К_1c и G_1c носят название критериев Ирвина,

Энергия зарождения трещины от концентратора G₃ определя­ется аналогично G_c, но с использованием в формуле (3.49) вели­чины g вместо / (см. § 9). При хрупком разрушении металла от кон­центратора, как в случае, показанном на рис. 3.38, а, для рас­чета используется критическое напряжение σ_с. Для концентра­торов с параллельными гранями (α= 0) величина G определя­ется, как для образцов с трещинами. Для концентраторов с α > 0 при разрушении металла, как на рис. 3.38, б, определение G₃ про­изводится путем дополнительного решения пластических задач.

• Рис. 3.38. Виды кривых (а, б) «напряжение — смещение» при определении /(_1с и G_]c на образцах путем их изгиба (б) или растяжения (г)

В качестве характеристики сопротивляемости металла началу движения трещины используют также деформационный критерий — критическое раскрытие трещины 6_С. Понятие раскрытия трещины б освещено в § 9. Критическое значение б_с соответствует раскрытию в момент начала движения трещины.

Для определения K_1c (K_c), G_]c (G_c) и δ_с используют разно­образные по форме образцы, которые преимущественно испыты­вают на изгиб или на растяжение продольной нецентрально при­ложенной силой (рис. 3.38, в, г). Общим для всех образцов явля­ется наличие предварительно созданной трещины. Чем выше вяз­кость металла и ниже его предел текучести, тем более крупные образцы требуются для корректного определения указанных выше характеристик.

Критерии механики разрушения применимы для оценки сопро­тивляемости металла разрушению не только при наличии сквозных по толщине листа трещин. В равной мере, а в практическом отно­шении даже чаще, эти понятия применимы также для несквозных трещин, распространяющихся от поверхности (рис. 3.39). Эти трещины при увеличении напряжения (нагрузки) растут преимущественно в направлении толщины, мало увеличиваясь по длине l. Даже при небольших толщинах s на большей части криволиней­ного фронта трещины обеспечиваются условия плоской деформа­ции, что следует рассматривать как неблагоприятное обстоятель­ство, так как небольшие трещины .могут оказаться критическими;. При приближении фронта трещины к противоположной поверх­ности на участке s₁ разном по размеру у различных металлов, возникают условия деформирования металла, близкие к плоскому напряженному состоянию, что проявляется в повышенной пласти­ческой деформации металла перед разрушением. Для вычисле­ния К, в зависимости от уровня напряжений и формы трещины имеются соответствующие формулы (103].

Поберхиости разрушения