Испытание на вязкость разрушения

Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при довольно низких напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины или трещиноподобные дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому разрушение конструкции обусловлено в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной, острой трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождением.

В соответствии с положениями линейной механики разрушения, разработанными Д. Ж. Ирвиным, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины: где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; σ_н – номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа; l – длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид: МПа∙мм^1/2.

Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения – достижение величиной К критического значения К _с. Чаще всего К _с определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва – перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К _1с [МПа∙мм^1/2] и называют его вязкостью разрушения при плоской деформации.

Испытание на вязкость разрушения проводят по схеме внецентренного растяжения специальных образцов при изгибе. Для испытания применяют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односторонним острым надрезом (рис. 12.1). Предварительно на пульсаторе от надреза наводится усталостная трещина. Затем образец подвергают растяжению при постепенно повышающейся нагрузке Р. При испытании строят диаграмму нагрузка Р – смещение V (смещение берегов трещины, т. е. расстояния между точками по обе стороны от трещины вследствие ее раскрытия). По этой диаграмме находят нагрузку Р _Q, отвечающую началу нестабильного развития трещины, и по ней рассчитывают К _1с.

Рис. 12.1. Схема нагружения образца при испытании на вязкость разрушения

Вязкость разрушения характеризует способность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэтому нередко К _1с называют трещиностойкостью. Чем выше значение К _1с, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого материала.

Вязкость разрушения является структурно чувствительной характеристикой, т. е. она зависит от всех тех воздействий, которым подвергается металл при обработке (деформационной, термической и т. п.). К _1с, как правило, тем ниже, чем выше предел текучести σ_0,2 (рис. 12.2). Поэтому для повышения конструктивной прочности нередко отказываются от высокопрочных материалов вследствие низкого значения их трещиностойкости К _1с и возможности хрупкого разрушения. Из рис. 12.2 также следует, что сталь по сравнению с титановыми, а тем более алюминиевыми сплавами, имеет б о льшую вязкость разрушения К _1с.

Рис. 12.2. Зависимость вязкости разрушения К _1с от σ_0,2 для сталей (1), титановых (2) и алюминиевых (3) сплавов

Испытание на вязкость разрушения используют при экспертизе наиболее ответственных высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).