7. Испытания на вязкость разрушения

Статические, динамические и циклические испытания сопротивле­ния развитию трещины или вязкости разрушения сводятся к сле­дующей общей процедуре. В образцах определенной формы и размера наводится искусственная трещина. Затем производят нагружение образца с одновременной записью нагрузки и смеще­ния берегов трещины.

Различают следующие основные виды образцов для определе­ния вязкости разрушения при статическом нагружении (рис. 62):

I - цилиндрический образец с кольцевым надрезом и трещи­ной для испытаний на осевое растяжение и изгиб;

II - плоский образец с центральной сквозной трещиной или симметричными краевыми трещинами для испытаний на осевое растяжение;

III - плоский образец с боковым односторонним надрезом и трещиной для испытаний на растяжение;

IV - плоский образец с боковым надрезом и трещиной для испытаний на сосредоточенный изгиб;

V - плоский образец с односторонней боковой усталостной трещиной для испытаний на внецентренное растяжение;

VI - дисковый образец с односторонним надрезом и трещиной для испытаний на внецентренное растяжение.

Форму и размеры образцов для определения характеристик вязкости разрушения выбирают с учетом целей испытания, на­значения, размеров и форм сечения заготовок, прочности и пла­стичности материала, температурных условий его эксплуатации.

Различают силовые, деформационные, энергетические крите­рии разрушения. К силовым критериям относят критические зна­чения коэффициентов интенсивности напряжений К_c,,K_Iс; к де­формационным - критическое раскрытие трещин σ_c, и коэффи­циент интенсивности деформации К_.cε, к энергетическим - удель­ная энергия продвижения трещины на единицу поверхности раскрытия G_c, G_Ic. В качестве основных рекомендуются K_с и K_Iс. При определении К_с или σ_с целесообразно использовать образцы с толщиной, равной толщине элемента конструкции. Коррективность определения K_Iс зависит от размеров образцов.

У сталостная трещина создается от исходного надреза за счет приложения к образцу циклической нагрузки.

Во время опыта производится автоматическая запись данных о нагрузке на образец и росте трещины. При этом особенно важно правильное определение нагрузки на образец в момент скачка трещины. Регистрация данных о росте трещины производится с помощью измерителя деформации с тензодатчиками. Измеритель деформации устанавливают в образце или с помощью специально прикрепляемых к образцу упоров.

После того как образец с трещиной подготовлен, он устанавли­вается в испытательной машине и производится его непрерывное нагружение с одновременной записью диаграммы нагрузка - смещение берегов надреза.

Образцы должны иметь толщину, обеспечивающую разрушение в условиях плоской деформации. Для разрушившихся образцов характерно отсутствие деформации по толщине, в изломе отсут­ствуют «губы среза» или утяжки кромок,

Основным недостатком испытаний на вязкость разрушения в условиях плоской деформации является необходимость исполь­зования чрезмерно больших образцов при исследовании материа­лов низкой и средней прочности. Например, образцы из стали 20 с σ_0,2 = 280 МПа должны иметь толщину более 250 мм. Нанесе­ние на боковые поверхности образцов дополнительных острых надрезов позволяет более чем в два раза уменьшить размеры об­разцов и получить при этом достоверные значения K_Ic; для сталей низкой прочности. Такая методика определения K_Ic по данным измерения податливости компактного образца с пазами обладает повышенной точностью. Условия плоской деформации у вершины трещины могут также достигаться за счет охрупчивания поверх­ностных слоев материала образца.

И звестно, что склонность к хрупкому разрушению опреде­ляется действием ряда внешних и внутренних факторов. Эти же факторы оказывают влияние и на вязкость разрушения.

Вязкость разрушения тесно свя­зана с показателями прочности мате­риалов σ_т и σ_В. Увеличение проч­ности сопровождается снижением пластичности и вязкости разруше­ния. Это объясняется тем, что у вы­сокопрочных материалов мала энер­гия, поглощаемая при разрушении, уровень которой определяется вели­чиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопроч­ных материалов эффект увеличения прочности существенно перекры­вается снижением пластичности, в результате чего вязкость раз­рушения уменьшается.

Материалы средней и низкой прочности при комнатной темпе­ратуре обычно имеют более высокие значения K_Ic, чем высоко­прочные. С понижением температуры ситуация меняется, особенно для сплавов, имеющих ОЦК и ГП кристаллические решетки. С понижением температуры прочность растет и при определенных условиях поведение материала средней и низкой прочности ста­новится таким же, как у высокопрочного материала при комнат­ной температуре.

Характер температурной зависимости σ_Т и K_Ic для одной из низколегированных марок стали приведен на рис. 63. Эта сталь имеет высокие значения K_c при комнатной температуре, но с по­нижением температуры K_Ic резко падает. Вязкое разрушение по сдвиговому механизму переходит к низкоэнергетическому. С понижением температуры растет стесненность пластической де­формации. Коэффициент К_с переходит в K_Ic при меньших тол­щинах материала. Поэтому при низких температурах испытания вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.

Размер зерна поликристаллических материалов является одним из основных параметров микроструктуры. Уменьшение размеров зерен позволяет одновременно увеличить прочность и вязкость металлов. Поэтому при измельчении зерна возрастает такой ком­плексный показатель свойств, каким является вязкость разруше­ния. Использование таких технологических приемов, как кон­троль процесса выплавки и особенно раскисления стали, пониже­ние температуры конца прокатки, термоциклическая и термоме­ханическая обработка, способствующих измельчению зерна, позво­ляет одновременно повысить вязкость разрушения.

Влияние легирующих элементов на вязкость разрушения прежде всего обусловлено их воздействием на величину зерна. Элементы, способствующие измельчению зерна, повышают вяз­кость разрушения, а элементы, упрочняющие твердые растворы, наоборот понижают вязкость разрушения. Эффективное измель­чение зерна достигается введением карбидообразующих элементов: ванадия, ниобия, титана. Использование алюминия для раскисле­ния способствует получению в спокойных сталях более мелкого зерна, чем в кипящих и полуспокойных.

Знание параметров вязкости разрушения позволяет обеспечить надежность конструкции. Это особенно важно в тех случаях, когда применяются новые высокопрочные материалы в новых проектах, которые не имеют аналогов в прошлом, а безопасность изделий должна быть бесспорно обеспечена,

Поэтому один из авторов линейной механики разрушения, Д. Р. Ирвин, указывает на необходимость срочного обучения ин­женеров этой дисциплине, ибо «создание новых конструкций редко ждет, пока конструкторы устранят все пробелы в своем образовании».