ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Температурные задачи механики разрушения из "Механика упругопластического разрушения " Как известно, водород широко применяется во многих отраслях техники и промышленности. Вместе с тем, обусловленное водородом повреждение металлов считается в настоящее время причиной многих аварий и катастроф, приносящих значительный ущерб. Среди разнообразных проявлений вредного влияния водорода на механические свойства (предел прочности, пластичность, характеристики усталости, ползучести и т. п.) особого внимания заслуживает обусловленное водородом облегчение зарождения и роста трещин в металлах. Связано это с тем, что независимо от того, насколько совершенны технология и качество изготовления, практически все конструкционные материалы и изделия из них содержат дефекты (или врожденные, или возникшие в процессе эксплуатации). При этом водород, воздействующий на металлы, значительно увеличивает их чувствительность к трещинам и увеличивает вероятность разрушения конструкций, обладающих при обычных условиях достаточной несущей способностью. Таким образом, эксплуатация металлов в атмосфере водорода приводит к необходимости оценки их трещиностойкости, а исследование закономерностей роста трещин в таких условиях приобретает большое значение. [c.325] Из приведенных рассуждений вытекают следующие выводы. В случае водородного роста трещин можно выделить три состоя-, ния, которым отвечают три интервала изменения коэффициента К [374, 435]. Первое состояние характеризуется тем, что физикохимические процессы в данной системе металл — водород не обеспечивают выполнение условий начала роста трещины. Этому состоянию соответствует интервал изменения К S К,л, где K,h — пороговый коэффициент интенсивности. Второе состояние характеризуется медленным докритическим подрастанием трещин при Kth К /Сн, когда рост трещины тормозится процессами доставки водорода в очаг разрушения. Здесь Кся — критический коэффициент интенсивности в условиях водородного охрупчивания материала. Наконец, третье связано с закритическим ростом трещины при К Ксн, обеспечиваемым при данном распределении водорода в системе чисто механическим фактором — уровнем нагружения. В последнем случае развитие трещины по своему характеру (но не по микромеханизму роста) близко ее развитию при статических испытаниях в обычных условиях. При этом параметр трещиностойкости по физическому смыслу наиболее близок к характеристике обычной вязкости разрушения Ki (хотя, вообще говоря, ей не тождествен). [c.326] Выражение (41.1) ставит под сомнение возможность сопоставления разных материалов по значению Kqn. [c.327] Таким образом, к числу инвариантных параметров пока можно отнести лишь пороговый коэффициент Kth [48, 4351. [c.327] Дальнейший анализ роста трещины в металлах при воздействии водорода связан с разработкой количественной модели, устанавливающей связи этого роста с интенсивностью механического воздействия на металл в зоне нредразрушения (т. е. К), кинетикой перераспределения водорода и его накопления в ответственных за разрушение микрообъемах [4, 212]. [c.328] Кроме того, при исследовании определяющего влияния на рост кинетики поверхностных процессов (в системе металл — водородосодержащая среда) отсутствуют данные, позволяющие исключать диффузию водорода в металле из числа стадий, необходимых для подготовки подрастания трещины [404]. Эти экспериментальные результаты позволяют предположить, что поверхностные взаимодействия, контролирующие проникновение водорода в металл, являются той стадией накопления водорода в очагах разрушения, которая определяет граничные условия для диффузии водорода в металле. [c.329] Здесь С — концентрация водорода в объеме металла, I — поток водорода, D — коэффициент диффузии, Ун — парциальный молярный объем водорода в металле, R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, — оператор градиента. [c.329] Для оценки реальности масштаба времени диффузии на рис. 41.4, а дана шкала t при = 1,22КУ Еат) для К = 135 Н/мм D = 10 mV , = 2 10 Н/мм От = 1581 Н/мм Уже в течение нескольких секунд в зоне предразрушения достигается концентрация, существенно превышающая поверхностную. [c.332] Здесь предполагается, что предельное критическое напряжение Ой зависит от концентрации водорода С в данном микрообъеме [381]. Расчет напряженно-деформированного состояния в окрестности вершины трещины [368] (рис. 41.3) показывает, что при л б эффективное напряжение Oef определяется практически растягивающим напряжением о , имеющим максимум при х = — Хш 26, а при а ss б в зависимости от значения параметра а в соответствии с (41.20) доминирующим фактором для напряжения Oef может оказаться интенсивность деформаций ер (см. рис. 41.5, а). Это, в частности, означает, что в отсутствие водорода, когда Ос можно считать константой, критическое условие (41.20) может быть выполнено при достижении в окрестности вершины трещины предельных деформаций е, или напряжений Оу. В связи со сказанным известные микромеханическпе критерии вязкости разрушения [253], основанные на понятиях критической деформации или критического напряжения, можно считать предельными случаями более общего критерия, получающегося из условия (41.20). Однако, если в отсутствие водорода соответствие какой-либо микромеханпческой модели вязкости разрушения (деформационной или силовой) данному материалу достаточно стабильно и определяется преимущественно свойствами самого сплава, то при водородном охрупчивании реализация этого соответствия существенно зависит от распределения водорода вблизи вершины трещины и его влияния на значение Ос. [c.334] Для вывода на основе выражения (41.23) уравнения кинетической диаграммы разрушения t = f(K) необходимо заметить следующее. Если при данном К моменту разрушения соответствует ниспадающая ветвь кривой С С х, t t), 0= а б, то в качестве длины элементарного скачка трещины естественно принять AZ = = а с = б. Если же этому моменту соответствует восходящая ветвь (рис. 41.5, б), то зона предразрушеиия при подрастании трещины пересечет область, достаточно насыщенную водородом, а длина элементарного скачка трещины увеличится до границы, от которой начинается резкое убывание функции С х, t ), т. е. до А1 = = Хт = 26. Таким образом, в качестве длины скачка трещины следует принять А/ = х(т)б, где величина 1 х(т) 2 учитывает характер распределения концентрации впереди вершины трещины. [c.335] В начале 70-х годов началось интенсивное развитие специального раздела механики разрушения, посвященного вопросам трещипостойкости металлов и сплавов в условиях совместного воздействия коррозионных сред и длительных нагрузок. Первые исследования сопротивления росту коррозионных трещин с применением коэффициентов интенсивности напряжений касались длительного статического нагружения (коррозионного растрескивания). Было показано, что такие традиционно считающиеся мало активными среды, как вода, спирты, масла и т. п. вызывают докритический рост трещин в высокопрочных сталях при значениях коэффициента интенсивности напряжений К, существенно меньших вязкости разрушения Ki . В дальнейшем кардинальное воздействие коррозионных сред на докритический рост трещин было подтверждено и для ряда других высокопрочных сплавов. Исключение составляет рост трещин в условиях ползучести при повышенных температурах, а также в высокоуглеродистых низко-отпущенных сталях с мартенситной структурой. В последнем случае фактором замедленного разрушения может быть водород, оставшийся в металле после металлургического передела. [c.337] Коррозионные среды оказывают сильное влияние и на циклическую трещиностойкость конструкционных материалов, что проявляется в первую очередь в ускорении распространения трещины. Это свидетельствует о необходимости учета влияния рабочих сред на усталостный рост трещин при инженерном конструировании. [c.337] Другой важной характеристикой коррозионно-статической тре-щиностойкости является кинетическая диаграмма разрушения — зависимость скорости роста трещины v от коэффициента интен-сивнрсти напряжений К. [c.338] Коррозионная трещиностойкость металлов и сплавов при циклическом нагружении оценивается, как правило, на основании кинетических диаграмм усталости, на которых, как и в случае испытаний в инертных средах, скорость распространения трещины выражается как функция амплитудных значений коэффициента интенсивности напряжений АК (иногда максимального значения коэффициента интенсивности напряжений за цикл нагружения Ктлх). Из начального участка кинетической диаграммы определяют амплитудное пороговое значение исследуемой пары металл — среда для определенных условий испытания (коэффициент асимметрии, частота и форма цикла нагружения). [c.338] Другой важной особенностью роста коррозионных трещин является то обстоятельство, что состав (в частности, водородный показатель среды pH) п электродный потенциал системы металл — среда в трещине и на гладкой поверхности значительно отличаются. А поскольку наряду с коэффициентом интенсивности напряжений скорость роста трещины определяется электрохимической ситуацией в вершине трещины, то представляется особенно важным ее изучение. Имеется несколько методик оценки электрохимического состояния в вершине трещины [114, 213, 256]. Результаты последних исследований указывают на его зависимость от уровня коэффициента интенсивности напряжений, длины трещины, внешней поляризации и частоты циклического нагружения [213, 2571. [c.340] К числу характерных особенностей роста трещин при коррозионном растрескивании следует отнести неоднозначность зависимости viK) для ряда систем металл — среда, обусловленную начальными условиями нагружения [254]. Как следует нз рис. 42.4, для системы сталь 50Х — изобутиловый спирт расположение кинетической диаграммы обусловлено значением коэффициента интенсивности напряжений Ка (при котором начинается до-критический рост трещин) при этом с повышением выход на стабилизированный участок достигается при более высоких значениях скоростей. Как показали фракто-графические исследования, такая неоднозначность кинетических диаграмм во многом обусловлена ветвлением трещин, интенсивность которого зависит от начальных условий нагружения. [c.342] К водородному охрупчиванию наиболее чувствительны высокопрочные низкопластпчные сплавы, для которых характерна высокая степень трехосиости напряженного состояния и высокий градиент напряжений впереди вершины трещины, являющийся причиной проникновения водорода в зону предразрушения. С другой стороны, дефектная неравновесная структура таких сплавов является наиболее уязвимой с точки зрения водородного охрупчивания. При переходе к более пластичным и менее прочным материалам снижается объемность напряженного состояния, его зона смещается дальше от вершины трещины, при этом падает градиент напряжений. Все это сказывается ва условиях переноса водорода в зону предразрушения и накопления там критической концентрации, необходимой для образования сепаратной микротрещины. [c.345] В связи с этим низкопрочные сплавы менее подвержены водородному охрупчиванию. [c.345] Вернуться к основной статье