Том 1. Прочность (1041446), страница 24
Текст из файла (страница 24)
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 в,р Кроме рассмотренных выше силовых и Ьеформаиионных характеристик сопротивляемости металла зарождению трещины в концентраторе используют также энергетические хара/стерасти/си: работу зарождения трещины А,(Дж) и энерг и ю з а р о ж д е н и 'я т р е щ и н ы 6, (Дж/м').
Работу зарождения трещины А, 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 х 10 мм и длиной 55 мм с односторонним надрезом глубиной 2 мм, которые испытывают на изгиб, нагружая образец силой Р и измеряя прогиб /'.
Схема испытаний и диаграмма представлены на рис. 3.37. Площадь ОАВ пропорциональна работе изгиба образца до появления трещины; площадь АВС пропорциональна упругой энергии, накопленной в образце к началу его разрушения; площадь ВАО характеризует 120 работу Ар, затрачиваемую на распространение трещины по телу образца. Существует ряд методов для определения А, и А, [23!.
Энергия зарождения трещины 6, от концентратора тесно связана с величинами 6, и 6~„определение которых рассматривается ниже применительно к стадии начала движения трещины. Обличие их состоит в том, что 6, и 6~, относятся к стадии начала движения разрушения от имеющейся трещины, а 6,— к моменту появления трещины от какого-либо концентратора.
Начало движения имеющейся трещины. При растяжении бесконечной пластины с трещиной длиной / трещина начинает распространяться после того, как напряжение о 'достигло определенного (критического) уровня, при котором соблюдается равенство приращений работы, поглощаемой на разрушение металла, и энергии упругих деформаций пластины, освобождающейся при подрастании трещины. Впервые указанное энергетическое Я условие для идеализи/ рованнои схемы разру- / шения рассмотрел Гриф- / фитс.
Тело предполага/ / ется идеально хрупким, / Э т. е. энергия расходует- 0 ся только на образование новой поверхности (поверхностного натяжения). Если в сплошной растянутой пластине толщиной, равной 1, образовать трещину длиной /, то потенциальная энергия в пластине уменьшится на У =- лап"(4Е) (3.42) Появление новых поверхностей сопровождается затратами энергии У„„= — 61, (3.43) где 6 — энергия поверхностного натяжения. Суммарное изменение энергии составит (/~ = /т1-'Я(4Е) — 6/ (3.44) (3.45) Дифференцируя (3.44), получаем Ыо /(2Е) — 6=0.
(3.46) 121 Если энергии будет освобождаться больше, чем поглощаться, трещина начнет самопроизвольно двигаться без увеличения напряжения. Это соответствует моменту равенства приращений энергии, т. е. Отсюда получим формулы для критического напряжения и критической длины трещины: п~р )/' 26Е/(л/) (3.4?) /„= 26Е/(ла'). (3.48) Из (3.46) также получим критическое значение энергии 6, = лап'/(2Е). (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 концов трещины. Это формально не изменяет ход рассуждения.
Таким образом, при испытании образца в виде пластины с трещиной достаточно зарегистрировать значение напряжения в момент начала движения трещины, чтобы вычислить затем по формуле (ЗА9) характеристику металла 6,. Для оценки свойств металла используют также критический коэффициент интенсивности напряжений К,— силовую характеристику, связанную с полем напряжений у конца трещины: К, = р'6«Е.
(3.50) С учетом (ЗА9) получим К, = сг)/Ы/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: К~, =")' 6~,Е/(1 — ре). (3.52) При испытании нагружением силой Р образцов крупных размеров их разрушение наступает внезапно на линейном участке диаграммы (рис.
3.38, а) и определение К1, и 6~, как раз соответствует моменту максимальных средних напряжений о,. Перемещение о регистрируют напротив надреза с трещиной на базе АВ (рис. 3.38, в, г), Если при определении К~, и 6~, 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 ОУ на 5 ')о ниже линии упру- 122 го(о участка, и для определения К1, и 6~, берут напряжение оо.
Достоверно"ть найденной величины проверяют по дополнительным признакам, изложенным в 120!. Величины К|, и 6~, носят название критериев Ирвина. Энергия зарождения трещины от концентратора 6, определяется аналогично 6„но с использованием в формуле (3,49) величины д вместо / (см.
ч. 9). При хрупком разрушении металла от концентратора, как в случае, показанном на рис. 3.38, а, для расчета используется критическое напряжение о,. Для концентраторов с параллельными гранями (а =- О) величина 6 определяется, как для образцов с трещинами. Для концентраторов с а 0 при разрушении металла, как на рис. 3.38, б, определение 6, производится путем дополнительного решения пластических задач. а/ Рис. 3.38. Виды кривых (а, б) «напряженне — смещение» при определении К, и 6, на образцах путем их изгиба (в) или растяжения (а) В качестве характеристики сопротивляемости металла началу движения трещины используют также деформационный критерий— критическое раскрытие трещины б,. Понятие раскрытия трещины б освещено в ~ 9.
Критическое значение б, соответствует раскрытию в момент начала движения трещины. Для определения К~, (К«), 6~, (6,) и б, 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 преиму- 123 Поверхности рпзрзшенна Рис.
3.39. Поверхностная трещина в металле Рис. 3.40. Вид поверхностей разрушения образца из металла толщиной з Распространение трещин. Для оценки сопротивляемости металла распространению трещин используют разнообразные качественные и количественные характеристики. Среди количественных характеристик более объективными являются энергетические. При движении трещины в листовом металле толщиной з работа затрачивается в основном на пластическую деформацию металла у поверхностей разрушения (рис. 3.40). Внутренние участки, находящиеся в условиях плоской деформации, деформируются меньше, чем участки на поверхности листа, где имеет место плоское напряженное.состояние и возникают зоны сдвига, поглощающие значительную часть затрачиваемой работы.
Чем толще металл, тем менее существенна роль сдвига в полной работе разрушения. В связи с этим следует различать работу разрушения 6х металла конкретной толщины з и работу разрушения настолько большой толщины, при котором обеспечивается условие плоской деформации 6~„образца. Индекс «д» означает движение трещины. Очевидно, что 6, ) 6~„. Если в конструкции используется металл конкретной толщины, то нет необходимости определять 6~а. Имеется много методов определения работы распространения трещины на образцах относительно малых размеров (10 х 10 Х х 55 мм). Общим недостатком большинства этих методов является игнорирование влияния толщины металла на работу распространения трещины и использование для испытания пластичных (вяз- щественно в направлении толщины, мало увеличиваясь по длине,1.
Даже при небольших толщинах з 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 з,, 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 (1031. кни) металлов таких по размерам образцов, внутри которых не может разместиться зона пластических деформаций, образующаяся у конца трещины в крупном образце.
Эти методы должны рассматриваться в основном как средство для сравнительных испытаний металлов. Ряд этих методов предусматривает уменьшение да минимума работы зарождения трещины А„с тем чтобы вся работа разрушения, отнесенная к площади разрушения, могла рассматриваться как А — удельная работа разрушения при распространении трещины. Например, при испытании по методу Б. А. Дроздовского в призматических образцах сечением 10 Х 10 мм создают усталостную трещину глубиной до 3 мм. Широко применяются также образцы Шарпи сечением 10 Х 10 мм и Ъ'-образным надрезом с малым радиусом у дна (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
