Оперативная оценка склонности материалов к хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагружении

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 4
ГЛАВА 1. .СТАТИЧЕСКАЯ И ЦИКЛИЧЕСКАЯ
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ИМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 6
1.1. Трещиностойкость конструкционных материалов в условиях статического нагружения........................ 6
1.1.1. Критерии локального разрушения............... 6
1.1.2 Физико-математические модели для расчетного
прогнозирования трещиностойкости.............. 12
1.1.3. Корреляционные зависимости вязкости разрушения от других механических характеристик ;.................................... 18
1.2. Косвенная оценка механических свойств методом контактного деформирования.............................. 24
1.2.1 Связь твердости и свойств при растяжении 24
1.2.2. Оценка сопротивления хрупкому разрушению сталей по твердости................................ 29
1.3. Трещиностойкость конструкционных материалов в условиях циклического нагружения....................... 30
1.3.1. Эмпирические зависимости, описывающие рост усталостных трещин............................... 31
1.3.2.Кинетическая диаграмма усталостного разрушения тела с трещиной....................... 33
1.3.3. Корреляция параметров кинетической диаграммы разрушения с другими свойствами материалов и условиями испытаний 35
1.3.3.1. Пороговый коэффициент интенсивности напряжений................................... 35
1.3.3.2. Циклический критический коэффициент интенсивности напряжений К}с................. 37
1.3.3.3. Константы в уравнении Пэриса 39
1.4. Выводы из литературного обзора и задачи исследования 40 ГЛАВА 2. ОЦЕНКА СКЛОНОСТИ СТАЛЕЙ К ХРУПКОМУ
РАЗРУШЕНИЮ ПО ВЕЛИЧИНЕ КРИТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВДАВЛИВАНИЯ................................ 42
2.1. Теоретические предпосылки.......................... 42
2.2. Исследуемые материалы.............................. 43
3
2.3. Расчет критической энергии вдавливания.......... 48
2.4. Исследование связи между истинным сопротивлением разрыву 5* и интенсивностью напряжений а, в центре контакта при вдавливании сферического индентора 64
2.5. Экспериментальная проверка метода............... 67
ГЛАВА 3. СООТНОШЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ И
УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СЛОЕВ МЕТАЛЛА,
ПРИЛЕГАЮЩИХ К ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ 72
3.1 Теоретические предпосылки........................ 72
3.2. Исследуемые материалы........................... 73
3.3. Расчет энергии пластической деформации, приходящейся на единицу площади поверхности разрушения........................................... 74
3.4. Учет влияния микроструктуры при оценке трещиностойкости трубных сталей по критерию Гриффитса - Орована.................................. 78
3.5. Удельная потенциальная энергия изменения объема как мера трещиностойкости конструкционных материалов 81
3.6. Расчет средней энергии пластической деформации на единицу поверхности в зоне ограниченной пластичности перед фронтом трещины 85
ГЛАВА 4. РЕКОНСТРУКЦИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ДИАГРАММЫ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ НА РАСТЯЖЕНИЕ ... 91
4.1. Теоретические предпосылки..................... 91
4.2. Исследуемые материалы........................... 92
4.3. Реконструкция кинетической диаграммы усталостного разрушения по результатам испытаний на растяжение ... 94
4.4. Экспериментальная проверка 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................... 106
ЛИТЕРАТУРА............................................... 107
4
ВВЕДЕНИЕ
Наличие в промышленности огромного парка оборудования с истекшим паспортным сроком службы постоянно ставит вопрос о правомерности продления срока эксплуатации. Это сложная задача, требующая наличия надежных методов оценки состояния металла в изделии. Крупногабаритные объекты, находящиеся в эксплуатации, не могут быть доставлены в лабораторию для проведения испытаний. Многие объекты работают столь долгое время, что методы расчета изделий подобного типа, а также критерии оценки пригодности к дальнейшей работе давно изменились. Это, в частности, относится к объектам, испытывающим воздействие переменных нагрузок. Последние приводят к росту трещин и вызывают опасность хрупкого или псевдохрупкого разрушения.
Наиболее современным методом оценки склонности материалов к хрупкому разрушению является определение трещиностойкости К,с. При исследовании усталостных разрушений и остаточного ресурса все чаще применяются методы механики разрушения. Обычно они основаны на анализе кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР), описывающей зависимость скорости роста трещины от размаха коэффициентов интенсивности напряжений. Испытания, необходимые для получения КДУР, сложны, дороги, длительны, а зачастую, когда вырезка образцов недопустима, просто невозможны. Поэтому не прекращаются попытки связать параметры КДУР с другими, более легко определяемыми характеристиками материалов. Очевидно, что все свойства материала, определяемые в различных видах механических испытаний - это проявления его конкретной природы. Поэтому наличие связей между этими свойствами
5
вполне объяснимо. Так, в практике неразрушающего контроля давно и успешно используется оценка пределов текучести и прочности при растяжении по твердости. Применительно к трещиностойкости известны попытки связать ее с ударной вязкостью, твердостью или свойствами при растяжении [48, 56, 57 - 59, 60, 61, 101, 102]. Как свидетельствуют литературные данные, такие исследования продолжаются в настоящее время во многих промышленно развитых странах мира. В связи с этим задача оперативной оценки склонности к хрупкому разрушению при статических и циклических нагрузках весьма актуальна.
Таким образом, новыми в данной работе являются и на защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
• Концепция критической энергии вдавливания Цкру методика её расчета и закономерности ее соотношений с ударной вязкостью КСУ и трещиностойкостью К/с низколегированных малоуглеродистых феррито-перлитных трубных сталей в широком интервале температур.
• Экспериментально установленная зависимость истинного сопротивления разрыву £* от интенсивности напряжений а, в центре отпечатка сферического индентора.
• Закономерности соотношений трещиностойкости и удельной энергии пластической деформации слоев металла, прилегающих к поверхности разрушения, для сталей различных уровней прочности и алюминиевых сплавов.
• Модель для реконструкции кинетической диаграммы усталостного разрушения по результатам испытаний на растяжение.
ГЛАВА 1
СТАТИЧЕСКАЯ И ЦИКЛИЧЕСКАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Долгое время такие механические характеристики, как предел прочности, предел текучести, удлинение, ударная вязкость, предел выносливости и др., являлись основными для оценки работоспособности материала в конструкции. Однако традиционные механические свойства не позволяли прогнозировать свойства материала в изделии в полном объёме, поскольку его работоспособность под нагрузкой определяется поведением локальных областей вблизи концентраторов напряжений, металлургических дефектов, трещин и т.п.
Настоящий обзор посвящен исследованиям процессов разрушения конструкционных материалов с трещиной, а также влиянию на эти процессы различных факторов (температура, стеснение пластической деформации и т.п.) и вида нагружения (статическое, циклическое). Также рассматриваются методы косвенной оценки свойств материала, например, наличие устойчивой корреляции между твердостью при вдавливании и другими механическими свойствами. Учитывая большое число публикаций по данным вопросам, здесь приводятся литературные данные, наиболее тесно примыкающие к области наших исследований.
1.1. Трещиностойкость конструкционных материалов в условиях
статического нагружения.
1.1.1. Критерии локального разрушения
Разрушение является процессом, развивающимся во времени в локальных объемах металла, приводящим к глобальному разрушению при
7
достижении предельного состояния. С развитием механики разрушения предлагались различные критерии локального разрушения: силовые, энергетические, деформационные. Эти критерии основываются на концепции А. Гриффитса [1], что реальные тела всегда содержат микроскопические дефекты, способствующие концентрации напряжений, достигающих в локальных объемах теоретической прочности. Концепцию разрушения Гриффитс сформулировал так: трещина способна распространяться тогда, когда высвобождаемая при этом энергия достаточна для обеспечения движения трещины, т.е.
где V - упругая энергия; РГ - энергия, необходимая для движения трещины; / - полудлина трещины. Выражая сНЛсН через напряжение, получим при плоской деформации:
где Е - модуль нормальной упругости; оу - критическое напряжение, при котором распространяется трещина;// - коэффициент Пуассона; у-поверхностная энергия. Впоследствии величину dU/dI = G назвали скоростью высвобождения упругой энергии или энергией для движения трещины, а энергию, необходимую для распространения трещины dWldi = R - сопротивлением росту трещины. Хороший обзор по оценке сопротивления разрушению с помощью R-кривых дан в работе [2].
В случае абсолютно хрупких материалов (типа стекла) выражение G = 2/ справедливо, т.е. G является константой материала, связанной с прочностью межатомных связей. М. Гензамер установил [3], что упругую энергию отдает не весь объем металла по высоте образца в процессе разрушения, а лишь небольшая его часть в вершине растущей трещи-
(1.2)
8
ны. Е.Орован [4, 5] и Дж. Ирвин [6, 7, 8] доказали, что высвобождаемая энергия упругой деформации в основном затрачивается на пластическое течение у вершины трещины при образовании поверхностей раздела в металлах. Значение этой энергии на два - три порядка превышает величину истинной поверхностной энергии 2у. Это позволило получить зависимость для разрушающего напряжения сгр в виде:
где ур - удельная энергия, затраченная на пластическую деформацию, необходимую для нестабильного роста трещины.
Опираясь на работы Гриффитса, Орована и Вестергаарда [1,5, 9], Ирвин ввел в механику квазихрупкого разрушения новый параметр -коэффициент интенсивности напряжений (КИН):
где ст- среднее (номинальное) приложенное напряжение; с-полудлина
жен для восприятия из-за его непривычной размерности. Дж.Нотт [10] сравнивает коэффициент интенсивности напряжений перед трещиной с напряженностью магнитного или электрического поля.
Катастрофический рост трещины начинается при достижении коэффициентом К величины критического коэффициента интенсивности напряжений КС9 обычно называемого вязкостью разрушения. Критерий Кс является важнейшей характеристикой материала. Он связывает величину напряжений в момент разрушения и критический размер трещины.
Существует три типа раскрытия трещины. Соответствующие им параметры интенсивности напряжений обозначают: К\9 К\\, Кш. Тип I соответствует разрушению отрывом, когда растягивающие напряжения
(1.3)
(1.4)
трещины. Размерность К - МПа^/м. Физический смысл параметра К ело-
9
перпендикулярны к плоскостям трещины. Типы II и III представляют собой, соответственно, поперечный и продольный сдвиг относительно фронта трещины. Из всех трех типов раскрытия трещины наиболее часто встречается нормальный отрыв.
Выполненный Вестергаардом и далее развитый Ирвином линейный анализ напряжений для раскрытия трещины по типу I с учетом выражения (1.4) приводит к следующим формулам:
здесь г - расстояние от вершины трещины; 9 - полярный угол между направлением распространения трещины и радиусом г от вершины трещины до рассматриваемой точки. Уравнения (1.5) описывают состояние плоской деформации. В случае плоского напряженного состояния напряжение сг2 равно нулю.
Таким образом, достоинство линейной механики разрушения заключается в том, что она даёт однопараметрическое описание поля напряжений и деформаций около вершины трещины и однопараметрический критерий разрушения тел с трещинами - К\с.
Предполагается что К\с является константой материала и связан с энергетическим критерием £ соотношением:
перепишем уравнение (1.3) в следующем виде:
(1-5)
10
(1.7)
В работе [11] предложена методика расчета ур по параметрам диаграммы растяжения для низкопрочных сталей.
Леонов М.Я. и Панасюк В.В. [12, 13] предложили деформационный критерий локального разрушения - критическое раскрытие трещины (дк - модель). Перед концом существующего разреза вводится зона ослабленных связей в виде тонкого слоя, противолежащие граничные поверхности которого притягиваются одна к другой с напряжением а0. Распространение трещины наступает тогда, когда ее раскрытие в вершине достигает критического значения Зк. Предполагается, что Зк является константой материала. Связь Зк с поверхностной энергией твердого тела записывается в виде:
Пластическое раскрытие трещины в вершине Зс в виде характеристики материала, входящее в критерий роста трещины и имеющее самостоятельное значение для оценки качества материала, введено в работах
Однако, подходы линейной механики разрушения (ЛМР) не дают ответа, как использовать критерий КИН в случае малых трещин, кроме того, довольно часто на практике разрушению предшествуют значительные пластические деформации. Это стимулировало разработку новых критериев разрушения.
Морозов Е.М. предложил новый критерий трещиностойкости -предел трещиностойкости Ус- Впервые эта новая механическая характеристика поведения разрушающего тела введена в работе [ 16] и приняла современный вид в работах [17, 18]. Предел трещиностойкости - это критические значения КИН Кс, подсчитанные по известным формулам
2 Г=^кст0.
(1.8)
[14,15].