4.13 Рост трещин в условиях коррозии

Практически важным, но пока малоизученным является механизм коррозионного растрескивания под напряжением. Как оказалось, в агрессивной среде, которой может быть и обыкновенная водопроводная вода, рост тре щины может происходить даже при постоянной нагрузке. Скорость роста и время до разрушения зависят от уровня напряжения, степени агрессивности среды и свойств (т.е., химсостава) материала.

Рис. 4.48. Зависимость времени до разрушения от начального значения коэффициента интенсивности напряжений

Н а рис. 4.48 приведены кривые изменения коэффициента интенсивности напряжений со временем пребывания объекта в коррозионноактивной среде при ряде значений внешней нагрузки. На графике отмечены две определяющие характеристики – критического K_IQ (t) КИН и порогового коррозионного растрескивания под напряжением K_0 крн (K_I sec в англоязычной литературе). В процессе работы нагрузка на элемент конструкции может оставаться постоянной, однако, как видно, подрастание трещины за счет коррозии металла вызывает увеличение коэффициента интенсивности напряжений, в результате повышается скорость растрескивания ( ). По достижении КИНом критического значения K_IQ происходит окончательное разрушение бегущей трещиной. Ниспадающая кривая на рис. 4.48 отражает зависимость времени до разрушения t _f от начального (при t = 0) значения коэффициента интенсивности напряжений.

4.14 Расчетная оценка трещиностойкости элементов конструкции

Рис. 4.49. Изменение критической нагрузки и характера разрушения в зависимости от температуры

Критические температуры хрупкости образца и конструкции

С опротивление разрушению элемента конструкции путем распространения трещины определяется целым рядом факторов: величиной дефекта, пластическими свойствами материала, абсолютными размерами сечения, температурой, скоростью нагружения, наличием остаточных напряжений и др. В зависимости от характера разрушения должен применяться тот или иной критерий трещиностойкости. На рис. 4.49 показаны области применения различных характеристик сопротивления разрушению в зависимости от величины предельной нагрузки и связанного с ней характера разрушения, а также влияние на них температуры. На этом графике выделяются три зоны, разграниченные первой T_кр1 и второй T_кр2 критическими температурами хрупкости.

Левой части области 1 , ограниченной справа температурой T_кр2, отвечает хрупкое разрушение. Величина соответствующего номинального напряжения невелика –

_с  (0,5…0,7)  _0,2;

скорость бегущей трещины может достигать порядка 40 % скорости звука в материале (что для стали составляет 2…2,5 тыс. метров в секунду), зона пластического деформирования в вершине трещины мала (0,4…0,5 мм), поэтому применимы критерии силового, энергетического и деформационного типов линейной механики разрушения. С увеличением напряжения _с до (0,7…0,8)  _0,2 зона пластичности также растет, и ее уже нельзя считать пренебрежимо малой по сравнению с длиной трещины. При приближении _с к пределу текучести материала  _0,2 следует использовать обсуждавшиеся выше критерии на основе критического значения J–интеграла J_c, предела тре щиностойкости Морозова I_c или критического раскрытия в вершине трещины _c.

Разрушению более вязкого характера соответствуют предельные нагрузки, превышающие характерную величину F_т (область 2 на рис.4.49), подобного вида разрушение называют квазихрупким. В этих условиях применение подходов ЛМР неправомерно. В качестве критериев достижения предельного состояния используют характеристики J_c, I_c, _c, а также традиционный ресурс пластичности p_f. В связи со снижением точности расчетного прогноза в этой области разрушающие нагрузки рекомендуется уточнять экспериментально на натурных изделиях или, если это невозможно, на образцах с воспроизведением конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов с последующим пересчетом на конструкцию.

Разрушение элементов сооружений при температуре, превышающей первую критическую T_кр1, носит существенно вязкий характер (область 3 , рис.4.49). Деформация в момент разрушения измеряется десятками процентов, приращение длины трещины сравнимо с ее длиной и размерами поперечного сечения детали, скорость распространения трещины, как правило, не превышает 5 % скорости звука в материале. Поверхность излома имеет волокнистую структуру; критерии разрушения – относительное поперечное сужение при разрыве , ресурс пластичности p_f и связанный с ними параметр «утонения» H (см. схему на рис.4.49).

Таким образом, при оценке трещиностойкости изделия необходимо знать температуру эксплуатации и уметь определять критические температуры хрупкости конструкции (они указывают на характер разрушения и помогают выбрать соответствующие расчетные зависимости).

Критические температуры хрупкости образца , получают экспериментально при статическом и динамическом нагружении, производя торможение трещин в пластинах, в которых создан и поддерживается определенный температурный градиент. На рис.4.50 показана схема испытания плоского образца в «жестких захватах». Предварительным нагружением в системе создается запас потенциальная энергия, затем расклиниванием надреза инициируется бегущая трещина, которая тормозится в области с температурой, соответствующей нарушению энергетического баланса в пользу сопротивления росту трещины (см. подраздел 4.10). П одобные опыты желательно производить либо на реальных деталях, либо на образцах с имитацией конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей, влияющих на характер разрушения.

Рис. 4.50. Схема торможения трещины в плоском образце с неравномерным температурным полем (испытание в «жестких захватах»)

Влияние названных условий на трещиностойкость эквивалентно сдвигу критических температур. Первую и вторую критическую температуру повышают такие факторы, как концентрация напряжений (на 100…160), увеличение напрягаемых объемов (120…180, при этом также происходит сужение интервала  T_кр между критическими температурами), наличие сварных швов (30…50), деформационное старение материала (до 80 с уменьшением  T_кр), циклический характер нагружения (30…60), увеличение скорости деформирования. Снижению критических температур хрупкости способствует введение легирующих добавок, в частности, никеля и снижение содержания охрупчивающих примесей (углерода, кислорода, серы, фосфора и др.).

Критические температуры хрупкости конструкции подсчитывают с учетом сдвигов  T_кр1,  T_кр2 критических температур, определяемых эксплуатационными, конструктивными, технологическими и другими факторами:

Расчет критического напряжения

Полученные таким образом критические температуры хрупкости конструкции используются при нахождении разрушающего (критического) напряжений.

1. Если температура эксплуатации не превышает вторую критическую , то разрушающее напряжение можно определять с помощью силового, энергетического и деформационного критериев линейной механики разрушения:

K_I = K_1c;

G_I = G_1c;

_I = _c.

Х арактер зависимости вязкости разрушения от температуры показан на рис. 4.51; для ее описания может быть использовано выражение

K_Ic (T) = exp [A (T_кр2 – T*)(T_кр2 – T)],

Рис. 4.51. Изменение вязкости разрушения и относительной величины критического напряжения с температурой

где – минимальное значение вязкости разрушения K_Ic при температуре T*, соответствующей разрушению без следов макропластической деформации (в этих условиях предел текучести практически совпадает с пределом прочности, а также с истинным сопротивлением разрыву);

А – характеристика материала, определяет­ся второй критической температурой хрупкости и пределом текучести при T = 0С.

2. Если температура эксплуатации находится в интервале T_кр2  T  T_кр1, следует ожидать разрушения квазихрупкого характера. В этом случае, как уже было сказано, критическое напряжение, полученное расчетным путем, желательно уточнить, проведя испытания реального изделия или образцов с последующим пересчетом результатов на конструкцию. Учет температуры производится с помощью эмпирической зависимости вида (см. рис. 4.51)

Параметр В зависит от свойств материала, величины напрягаемых объемов, длины трещины, условий испытания; определяется при температуре T = T_кр1,

.

Обратите внимание, что при сходном характере зависимостей K_Ic (T) и они смещены друг относительно друга: так проявляется влияние температуры на предел текучести.

Корректировка полученного на образцах критического напряжения (_с (Т_кр1)  ) для конструкции производится с помощью соотношений вида

– учет влияния размера поперечного сечения, S_i – площадь сечения;

– учет влияния длины трещины.

Запасы прочности при хрупком и квазихрупком разрушении

Для оценки опасности хрупкого разрушения машин, аппаратов и сооружений используют критические температуры хрупкости конструкции и номинальное разрушающее напряжение _с .

Запасы по критическим температурам представляют разности

Превышение запасом по первой критической температуре заданной величины T_кр1 означает, что объект находится в вязком состоянии, поэтому расчет по критерию хрупкого прочности не производится. Запасы T_кр1 должны обеспечиваться для некоторых ответственных конструкций, испытывающие повышенные статические нагрузки. Особого внимания требует ситуация, когда интервал по тем или иным причинам (см. выше) сужен.

В ряде случаев допускается переход конструкции в состояние, при котором разрушение носит квазихрупкий характер. Запас прочности по критическому напряжению _с определяется выражением вида

( – максимальное напряжение в области дефекта, к примеру, с учетом концентрации напряжений).

Отдельные детали из низколегированных высокопрочных сталей могут работать в состоянии, которому отвечает хрупкое разрушение:

Для них запас прочности вычисляют по разрушающим напряжениям, найденным с помощью критериев линейной механики разрушения.

Запасы по критическим температурам T_кр1, T_кр2 должны быть не менее 20…40. Бóльшие значения принимают для сварных конструкций сложной конфигурации, конструкций, подверженных циклическим и динамическим воздействиям, а также для сооружений, работающих при пониженных температурах, особенно, если эксплуатационная температура может оказаться ниже расчетной.

Типичные значения k_c запаса прочности по номинальному критическому напряжению находятся в пределах 1,5…2. Бóльшие величины назначают для изделий из хладноломких низкоуглеродистых сталей или сталей повышенной прочности и пониженной пластичности, чувствительных к перечисленным выше конструктивным, технологическим и эксплуатационным факторам, и обладающих повышенным разбросом прочностных характеристик. Повышенные запасы k_c = 2,2…2.5 принимают для конструкций сложной формы, подверженных статическим и динамическим перегрузкам, поскольку для них точное определение нагруженности представляется затруднительным.

Запасы по критическим температурам и критическим напряжениям можно уменьшить за счет проведения модельных или полномасштабных испытаний на разрушение отдельных деталей или конструкций целиком.