Развитие техники непрерывно выдвигает перед наукой о прочности конструкционных материалов новые проблемы и задачи. Это обусловлено тем, что общая тенденция в осуществлении технических замыслов и проектов всегда предусматривает использование материалов и сварных соединений С заданными физико-механическими свойствами — прочностью и пластичностью, жаропрочностью и хладностойкостыОу трещино-стойкостью (способностью материала тормозить распространение в нем трещины), ударной вязкостью, необходимым сопротивлением малоцикловому 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 конструкций.
В последние десятилетия в машиностроении широко используются высокопрочные, малопластичные материалы, а также материалы средней прочности, которые, вообще говоря, достаточно пластичны при обычных условиях. Такие материалы в процессе эксплуатации при наличии различных охрупчиваюгцих факторов (высоких скоростей нагружения, наводороживания, облучения, различных концентраторов напряжений и т. п.), как правило, склонны к хрупкому разрушению, а именно к разрушению путем спонтанного распространения трещины без заметных предварительных пластических деформаций. 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 острый концентратор напряжений — дефект типа трещины — и когда такой элемент подвергнут совместному воздействию силовых нолей и физико-химических факторов, приводящих к повышению склонности материала к хрупкому разрушению.
Изучение явлений хрупкого разрушения материалов стало особо актуальным в связи с фактами разрушения крупных конструкций именно по хрупкому механизму (путем распространения трещины), несмотря на то что условия их прочности в рамках классических подходов (по упругому или пластическому состоянию) были удовлетворены. Эти факты привели к созданию методов и средств определения сопротивления конструкционных материалов хрупкому разрушению, а также к разработке теории прогнозирования работоспособности 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 количественного описания явлений хрупкого разрушения, так и в области инженерных приложений теоретических результатов.
В СССР и за рубежом опубликован ряд обобщающих трудов, посвященных анализу важнейших достижений по механике хрупкого разрушения 1. Однако к настоящему времени еще не разработаны в достаточной мере методы определения характеристик трещиностойкости конструкционных материалов, 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 (7), необходимую для образования свободной поверхности данного материала при заданных условиях;
б) предельное значение коэффициента интенсивности напряжений (К1с) при страгивании трещины, когда в окрестности ее вершины имеет место состояние плоской деформации;
в) критическое значение раскрытия трещины (бк) в ее тупиковой части.
Наиболее широко в инженерной практике используется характеристика
KIC, ее часто называют вязкостью разрушения. Это, по-видимому, обуслов-
лено тем, что значения характеристики /Г1с тем выте, чем больше вязкая, волокнистая часть поверхности разрушения. Однако понятие «вязкость разрушения» является более широким и характеризует вообще ресурс пластичности данного материала при его разрушении. Мерой этого ресурса пластичности — вязкости разрушения — служат степень волокнистости излома, ударная вязкость, относительное удлинение или сужение образца (в том числе, может быть, и величина Л"1с) и т. п. Поскольку эти данные, кроме Л"1с, не связаны прямо с инструментом хрупкого разрушения — трещиной, по-нашему мнению, физически более оправданным для обозначения характеристики сопротивления материалов распространению трещины является 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 (i>, Я1с, бк) материалов и рекомендации для инженерной практики. В основе предлагаемых методик находится испытание цилиндрического образца с внешней кольцевой трещиной на растяжение, изгиб или усталостное разрушение путем кругового изгиба. Значительное внимание уделено проблеме динамических (ударных) испытаний образцов с трещинами, а также построению диаграмм усталостного разрушения.
Глава I имеет вводный характер: в ней изложены основные положения механики хрупкого разрушения, краткий анализ методов определения тре-щиностойкости материалов и некоторые соотношения механики сплошных сред, необходимые в дальнейшем.
Во II, III и V главах дано решение задачи о предельном равновесии цилиндра с внешней кольцевой трещиной, когда такой цилиндр подвергнут осевому растяжению или изгибу. При этом для указанной задачи установлены значения коэффициентов интенсивности напряжений, условия существования состояния плоской деформации в окрестности контура трещины и т. п. Задача о растяжении цилиндра с кольцевой трещиной рассмотрена также в рамках бк-модели и установлены соотношения, связывающие критическое раскрытие трещины бк с силовыми и геометрическими параметрами этой задачи. Рассмотрена динамическая задача о растяжении цилиндрического образца с мелкой кольцевой трещиной. Для некоторых случаев приведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных.
В IV главе исследована кинетика усталостного распространения трещины и даны рекомендации для прогнозирования долговечности элементов конструкции при усталости на основе предложенных диаграмм усталостного разрушения цилиндрических образцов из 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 Я1с для некоторых материалов дан в главе VI. Здесь же описаны оборудование и методика определения критического раскрытия трещины бк.
Глава VII посвящена динамическим испытаниям (на ударную вязкость) образцов с трещинами, а глава VIII — усталостным испытаниям цилиндри-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .......................... 5
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ И МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД ... 9
1. Вводные замечания......... 10
2. Критерии локального разрушения . . 12
3. Некоторые соотношения теории упругости ............... 18
ГЛАВА II. РАСТЯЖЕНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА
С ВНЕШНЕЙ КОЛЬЦЕВОЙ ТРЕЩИНОЙ ............ 25
1. Обзор работ, посвященных решению упругой задачи........... 25
2. Предельно-равновесное состояние цилиндра с внешней кольцевой трещиной при условии автомодельное™ зоны пред-разрушения ............ 27
3. Обобщенная задача для цилиндра с внешней кольцевой трещиной ... 37
4. Определение предельного значения внешней нагрузки для квазихрупкого цилиндра с внешней кольцевой трещиной 55
ГЛАВА III. РАЗРУШЕНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА С ВНЕШНЕЙ КОЛЬЦЕВОЙ ТРЕЩИНОЙ ПРИ ИЗГИБЕ....... 59
1. Постановка задачи и метод ее решения 60
2. Случай глубокой трещины...... 61
3. Случай мелкой трещины....... 66
4. Определение коэффициента интенсивности напряжений и предельного значения внешнего нагружения для случая кольцевой трещины произвольной глубины ............... 74
' 5. Определение размеров цилиндрического образца, обеспечивающих условия ав-томодельности распространения трещины ................ 76
6.' Изгиб цилиндрического образца с кольцевой трещиной, выходящей на поверхность кольцевой выточки ...... 78
ГЛАВА IV. УСТАЛОСТНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩИНЫ
1. Анализ основных соотношений
2. Определение долговечности тела с' тпе-щиной, подвергнутого циклическому нагружению........ *
3. Примеры расчета долговечности тел с трещинами при циклическом нагруже
нии............ . . ' 98
4. Исследование кинетики распростране-ния усталостной кольцевой трещины в цилиндрическом образце при его круговом изгибе........... ^02
ГЛАВА V. ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСТЯЖЕНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА С ВНЕШНЕЙ КОЛЬЦЕВОЙ ТРЕЩИНОЙ ... 106
1. Постановка задачи .........д07
2. Сведение задачи к решению интегрального уравнения Фредгольма второго ро-
Да ................;109
3. Определение коэффициента интенсивности напряжений.........117
ГЛАВА VI. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕ- -ЩИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПЫТАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА С КОЛЬЦЕВОЙ ТРЕЩИНОЙ .....125
1. Анализ основных подходов.....125
2. Растяжение образца ........135
3. Изгиб образца. Примеры определения
*1с ................142
4. Методика определения критического раскрытия трещины.........149
5. Оценка влияния некоторых структурных факторов и рабочих сред на трещи-ностойкость материала.......152
ГЛАВА VII. СКЛОННОСТЬ МЕТАЛЛОВ К ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ............163
1. Установки для исследования процессов ударного разрушения........™*
2. Ударное растяжение цилиндрического образца с кольцевой трещиной .... Ш
3. Оценка склонности некоторых сталей к хладноломкости ........_ • • 174
4. Испытание материалов на ударный из-
гиб ................Ш
ГЛАВА VIII. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИНЫ НА СТАДИИ ЕЕ ДОКРИТИЧЕСКОГО РОСТА ..................19°
1. Силовые схемы нагружения образцов и способы обработки результатов акспери-мента ...............
2. Силовая схема кругового изгиба цилиндрического образца с кольцевой трещиной ................199
3. Образцы и оборудование для проведения усталостных испытаний.....205
4. Методика проведения эксперимента на усталость............ . 209
5. Обработка результатов эксперимента и построение диаграмм усталостного разрушения .............212
ПРИЛОЖЕНИЯ......................217
Приложение 1. Экспериментальное определение трещиностойкости конструкционных материалов (рекомендация по стандартизации методики определения
трещиностойкости) .........218
Приложение 2. Сравнение данных по трещиностойкости некоторых материалов, полученных на различных схемах нагружения образцов.........224
Приложение 3. Значения трещиностойкости для некоторых конструкционных материалов .............226
ЛИТЕРАТУРА........................266
