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 хладностойкостью, 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 охрупчивающих факторов (высоких скоростей нагружения, наводорАживания, 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 *, Однако к настоящему времени еще не разработаны в достаточной мере ме тоды определения характеристик трещиностойкости конструкционных ма териалов, т. е. методы определения характеристик сопротивления материале развитию в нем трещины.
В качестве количественных характеристик сопротивления материал; 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 (Д1с при страгивании трещины, когда в окрестности ее вершины имеет место ее стояние плоской деформации;
в) критическое значение раскрытия трещины (SK) в ее тупиковой части
Наиболее широко в инженерной практике используется характеристик
#10, ее часто называют вязкостью разрушения. Это, по-видимому, обусло]
лено тем( что значения характеристики R^ тем выше, 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 К^с) и т. п. Поскольку эти данные, кроме Я1с, 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 (Y, KIC, 6K) 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 трещиностойкости 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 Kic 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 цилиддри-
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 ци-
. : линдра 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
Случай глубокой трещины...... 61
Случай мелкой трещины....... 66
4. Определение коэффициента иктенсив-ности напряжений и предельного значения внешнего нагружения для случая кольцевой трещины произвольней 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
275
ГЛАВА IV. УСТАЛОСТНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩИНЫ 81
1. Анализ основных соотношений .... 81
2. Определение долговечности тела С трещиной, подвергнутого циклическому нагружению ............ 92
3. Примеры расчета долговечности тел с трещинами при циклическом нагруже-
нии ............... 98
4. Исследование кинетики распространения усталостной кольцевой трещины в
, цилиндрическом образце при его круговом изгибе............102
Г Л А В А V. ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСТЯЖЕНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА С ВНЕШНЕЙ КОЛЬЦЕВОЙ ТРЕЩИНОЙ ... 106
1. Постановка задачи .........,107
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
•'Г--.; «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........164
2. Ударное растяжение цилиндрического образца с кольцевой трещиной .... 171
3. Оценка склонности некоторых сталей к
...., .. , хладноломкости ..........174
4. Испытание материалов на ударный изгиб ................183
ГЛАВА VIII. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИНЫ НА СТАДИИ ЕЕ ДОКРИТИЧЕСКОГО РОСТА ..................190
1. Силовые схемы нагружения образцов и способы обработки результатов эксперимента ...............190
276
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 на-
• " гружения образцов.........224
Приложение 3. Значения трещиностойкости для некоторых конструкционных материалов .............226
ЛИТ ЁТ*ЯЦ У Р А........................266
Цена: 150руб.
