Напряжения в вершине трещины Результаты исследования разрушение 359—360 — Результаты исследования

Под действием переменных напряжений в деталях механизмов и металлоконструкций ПТМ происходит постепенное накопление повреждений. Этот процесс называется усталостью, а способность деталей сопротивляться усталости — циклической прочностью или выносливостью. В начальной стадии накопления циклических повреждений происходят пластические деформации отдельных кристаллов, из которых состоит металл. Эти пластические деформации вызывают перераспределение напряжений, и на поверхности ряда кристаллов возникают линии сдвига. Пластическое деформирование сопровождается упрочнением отдельных зон кристаллов и одновременно разрыхлением структуры в области внутрикристаллических дефектов. Под действием переменных напряжений, превышающих определенный уровень, начинают образовываться из линий сдвига микротрещины. Развиваясь, микротрещины переходят в макротрещины. Последние приводят к уменьшению прочностного сечения детали, и после того как размер трещины достигает предельного значения, наступает хрупкое разрушение детали. Таким образом, процесс усталостного разрушения можно разделить на две стадии [27]. Первая стадия — до начала образования макротрещины, вторая — от момента ее образования до разрушения детали. В настоящее время еще нет достаточно апробированных общих оценок закономерностей распространения трещин в деталях ПТМ сложной конфигурации. В связи с этим расчеты циклической прочности как до образования макротрещин, так и до полного разрушения носят идентичный характер [20]. Известно, что пределы выносливости, определенные по условию образования трещины и по условию оконча тельного разрушения, совпадают при коэффициентах концентрации аа < 2 -Ь 3. При высоких коэффициентах концентрации количество циклов, при которых происходит развитие макротрещины с момента ее образования до разрушения сечения, составляет 70—80 % от общего ресурса детали. Развитие усталостной трещины происходит в результате циклических деформаций в области вершины трещины. Установлено, что в общем случае распространение макротрещины от появления до полного разрушения детали можно разделить на три этапа [27], Первый этап характеризуется малой скоростью распространения трещины вдоль полос скольжения. На втором (основном) этапе трещина растет с примерно постоянной скоростью. На третьем этапе, когда трещина имеет уже большие размеры, скорость роста увеличивается и происходит мгновенное хрупкое разрушение (долом) детали. В то же время экспериментальные и теоретические исследования так же, как и эксплуатационные наблюдения, свидетельствуют о том, что не всегда появление трещины усталости приводит к разрушению детали (образца) [27]. В ряде случаев возникают нераспространяющиеся трещины или трещины с весьма малой скоростью роста. Очевидно, что разработка и использование возможностей уменьшения [c.121]

В этой главе рассмотрены параметры разрушения трещины, которые определяют как квазистатический, так и динамический рост трещины, находящейся в упругом или упругопластическом материале. Для двумерных задач, например, эти параметры определяются с помощью интегралов, контур интегрирования которых представляет собой окружность Ге с радиусом е, где Е — бесконечно малая величина. Подынтегральное выражение, включающее в себя описания полей напряжений, деформаций и перемещений, в общем случае представляет собой функцию 1/е, где е — расстояние от вершины трещины в результате интеграл, взятый по контуру интегрирования Ге, оказывается конечной величиной. Этот интегральный параметр стремятся представить, пользуясь теоремой о дивергенции, суммой интеграла по дальнему контуру с интегралом по конечной области. Подобное альтернативное представление оказывается удобным для численного исследования задач механики разрушения. В некоторых частных случаях упомянутый выше интеграл по конечной области исчезает, в результате чего появляется возможность выразить интегральный параметр разрушения только через интеграл [c.129]

Анализ разрушения металлических конструкций и многочисленные экспериментальные данные показывают, что в реальных условиях эксплуатации в нагруженном материале возле трещин могут возникать значительные пластические деформации, охватывающие области, сравнимые с характерными размерами концентратора напряжений (трещины, выреза, включения) или рассматриваемого тела. Описание процесса разрушения при значительных пластических деформациях требует решения соответствующей упругопластической задачи для тела с трещинами. Обстоятельный обзор таких исследований выполнен в работе [12]. Применение классических методов теории пластичности во многих случаях является малоэффективным и не всегда учитывает некоторые характерные особенности протекания процесса пластического деформирования, в частности локализацию деформаций в тонких слоях и полосах. В случае тонких пластин (плоское напряженное состояние) такие деформации локализуются в тонких слоях (полосах пластичности) на продолжении трещин и достаточно хорошо описываются с помощью б -модели, когда полосы пластичности моделируются скачками нормальных смещений [65. При плоской деформации зоны пластичности возле трещин во многих случаях также локализуются в тонких слоях (полосах скольжения), выходящих из вершины трещины под некоторыми углами к ней [45, 120, 159, 180]. Полосы скольжения при этом моделируются скачками касательных смещений. В результате решение упругопластической задачи для тела с трещинами сводится к решению упругой задачи для тела с кусочно-гладкими (ломаными) или ветвящимися разрезами (см. третью главу), на берегах которых заданы разрывные нагрузки. При этом длина зон пластичности и их ориентация заранее неизвестны и должны быть определены в процессе решения задачи. Для таких исследований может быть успешно применен метод сингулярных интегральных уравнений, развитый в предыдущих главах, что и проиллюстрировано на конкретных примерах. [c.219]

Наиболее существенными особенностями распространения усталостной трещины можно считать то, что ее рост идет в направлении, перпендикулярном растягивающим напряжениям, а у вершины трещина оставляет на поверхности излома характерные бороздки как при пластическом, так и при хрупком разрушении [3, 6-8]. Бороздки хрупкого разрушения характерны для высокопрочных материалов. Результаты многочисленных экспериментальных исследований распространения усталостных трещин выявили следующие их особенности [c.15]

Опираясь на приведенные результаты исследований, можно представить следующим образом последовательность протекания процессов в вершине усталостной трещины в цикле нагружения (рис. 97), которые определяют соответствующую последовательность сигналов АЭ. На участке квазихрупкого разрушения имеем I—II — прикладываемая нагрузка, которая затрачивается на преодоление остаточных сжимающих напряжений, поэтому АЭ отсутствует [c.206]

Исследованиями изломов разрушенных образцов показано, что зарождение усталостных трещин происходит от вершин хрупких трещин, которые были первоначально сформированы в материале при нанесении повреждения при электроискровом разряде (рис. 10.15). На этапе роста трещины в изломе были сформированы преимущественно усталостные бороздки. В результате измерений шага усталостных бороздок по длине установлено, что период роста усталостной трещины зависит от геометрии образца. В образцах сечением 14 X 8 мм и 20 X 14 мм период роста трещины составил 10000 и 30000 циклов соответственно (рис. 10.16). Геометрия диска в большей мере соответствует большему сечению образцов. Поэтому есть основания считать, что при существенно меньшем уровне эксплуатационного напряжения в диске период роста усталостной трещины по числу циклов нагружения будет более чем в (700/500) = 2 раза превышать период роста трещины в образцах с максимальной площадью сечения. Использована вторая степень зависимости числа циклов нагружения от уровня напряжения для кривой Веллера. [c.559]

Результаты, полученные при исследовании влияния поверхностного пластического деформирования на возникновение и развитие усталостных трещин в сталях (см, гл. 6), также хорошо согласуются с приведенными теоретическими представлениями. Остаточные напряжения сжатия, образовавшиеся в результате наклепа в области вершины концентратора, приводят к резкому увеличению пределов выносливости по разрушению исследованных материалов, практически мало изменив при этом пределы выносливости по трещинообразованию. Если рассматривать эти остаточные напряжения как среднее напряжение цикла, то можно утверждать, что причиной образования широкой области нераспространяющихся трещин в этом случае было существенное изменение коэффициента асимметрии цикла от —1 до —ОО. [c.55]

Для оценки влияния величины концентратора напряжений на эффективность поверхностного наклепа были проведены испытания на усталость образцов из стали 45 диаметром 26 мм гладких и с концентратором напряжений глубиной 4 мм, радиусом при вершине 0,2 мм и углом при вершине 60°. Каждый образец имел по четыре надреза, расположенных на расстоянии 15 мм один от другого, что позволило применить методику исследования трещин, развивающихся в концентраторах, работающих на различных уровнях переменных напряжений. Результаты испытаний, проведенных на базе Ю циклов, приведены на рис. 63. Исходные гладкие образцы имели предел выносливости 225 МПа (кривая /). Кривые 2 и 3, соответствующие возникновению трещины и разрушению надрезанных образцов, показывают, что выбранный для исследований концентратор напряжений (а(т = 4), является закритическим, т. е. обусловливает возникновение в нем нераспространяющихся усталостных трещин. Поверхностный наклеп приводит к резкому (более чем в [c.154]

Морфологические особенности излома формируются при вязком внутризеренном разрушении как результат пластической деформации, развивающейся в зоне разрушения непосредственно В процессе образования неснлошности. Увеличение интенсивности пластической деформации и расширение объемов, где она протекает, увеличивает затраты энергии на распространение трещины. Страгивание трещины от неснлошности материала при внешнем воздействии будет зависеть не только от условий нагружения, но и от степени стеснения пластической деформации в вершине неснлошности. Исследования разрушения образцов из стали с пределом прочности 430-570 МПа при различных параметрах надреза круглого образца показали [36], что по мере изменения жесткости напряженного состояния меняется соотношение между размерами ямок на начальном этапе развития страгиваемой трещины. Испытаны на растяжение круглые образцы с разным диаметром (< s)min в минимальном сбчении и радиусом надреза р в этом сечении. В случае острого надреза 0,2 мм начальное разрушение имело место у надреза, а с мягким радиусом более 1 мм разрушение начиналось в центральном сечении образца. При указанном остром надрезе ширина ямок 20-40 мкм у надреза и далее — 40-80 мкм, тогда как у мягкого радиуса ширина ямок составила 10-20 мкм. Жест- [c.89]

Наиболее существенные результаты в динамической механике разрушения получены в рамках линеаризованной теории, в которой предполагается, что зона проявления нелинейных эффектов мала по сравнению с длиной трещины, а поле напряжений вокруг пластической области оппсывается асимптотическими формулами, полученными из решения упругой задачи. Это поле напряжений сингулярно, и главный член его разложения по степеням расстояния от конца трещины г, как п в статике, имеет вид К/У г. Угловое же распределение напряжений и перемещений в окрестности вершины стационарной трещины одинаково при статическом и динамическом нагружении, а влияние инерционного эффекта заключается в том, что коэффициент интенсивности напряжений становится зависящим от времени. Кроме того, исследования показывают, что спустя некоторый период времени после приложения нагрузки характер зависимости коэффициентов интенсивности напряжений и импульсных нагрузок от времени идентичен. Однако в течение этого периода времени коэффициент интенсивности напряжений достигает своего пикового значения, иногда значительно превышающего статическое (аналогичный вывод можно сделать и в случае гармонического нагружения тела с трещиной). [c.407]

В результате исследования закономерностей распространения сквозных трещин, как было продемонстрировано выше, выявлено убывание скорости роста трещин в связи с возрастанием Вместе с тем показано [75, 82], что при = 1 -1 О СРТ в некоторых случаях могут не отличаться. Более того, при разной асимметрии цикла можно наблюдать различный, немонотонный характер влияния второй компоненты нагружения на рост усталостных трещин. Так, в стали SM41 при = -1 скорость возрастала с переходом от положительного к отрицательному соотношению главных напряжений а при отсутствии асимметрии цикла (пульсирующий цикл) результат был противоположен. Объяснение такой ситуации было предложено на основе представлений об охрупчивании материала, которое возникает при увеличении степени стеснения пластической деформации. Увеличение среднего напряжения или гидростатического давления в вершине трещины при возрастании положительного соотношения главных напряжений настолько снижает пластичность, что материал начинает хрупко разрушаться в результате смены механизма. При хрупком разрушении имеет место возрастание, а не снижение СРТ. [c.314]

Рассмотрим сначала случай твердой хрупкой частицы в относительно вязкой матрице. На поведение композита непосредственно влияют размер частиц, их объемная доля и прочность поверхности раздела. Частица действует как концентратор напряжений. Ее размер и расстояние до соседней частицы определяют взаимодействие между полями напряжений частиц. При разрушении такого композита трещина в непрерывной фазе (матрице) будет многократно наталкиваться на частицы. Если прочность поверхности раздела между частицей и матрицей мала, то трещина будет вести себя, как при взаимодействии с порой, поскольку такая частица не способна передавать растягивающие напряжения, а радиус кривизны у нее меньше, чем у фронта трещины. В результате возможен рост вязкости разрушения. Это подтверждается данными для армированных пластиков, у которых прочность связи по поверхности раздела можно в известной степени регулировать с помощью специальной обработки поверхности упрочнителя. В работах Браутмана и Саху [4], а также Уамбаха и др. [49] было установлено, что вязкость разрушения композитов с матрицей из эпоксидной смолы, полиэфира или полифениленоксида, армированных стеклянными сферами, растет по мере снижения прочности связи по поверхности раздела. Помимо затупления вершины трещины предложены и другие механизмы, объясняющие повышение вязкости разрушения. Браутман и Саху, например, связывают его с увеличением трещинообразования и деформации в подповерхностных слоях. Для исследованных композитов изменение объемной доли стеклянных шариков по-разному влияет на вязкость разру- [c.302]

Уравнение (1) послужило в дальнейшем основой для представления результатов экспериментальных исследований в виде диаграмм усталостного разрушения [7], на которых графически показаны зависимости скорости роста усталостной трещины от размаха или максимального значения коэффициента интенсивности напряжений цикла в логарифмической системе координат (рис. 1). В настоящее время на основании таких диаграмм проведено обобщение многочисленных экспериментальных данных о скорости роста усталостной трещины в зависимости от различных физико-механических и структурных факторов (см., например, [8]). Поскольку коэффициент интенсивности напрнжений является характеристикой напряженно-деформированного состояния в вершине трещины и зависит [c.285]

При исследованиях ЦТКМ в жидких средах, особенно коррозионных, механический фактор разрушения теряет свое доминирующее значение в результате протекания физико-химических процессов в вершине трещины между материалом и средой. Эти процессы, зависящие от состояния поверхности разрушения и протекающие с различной скоростью, влияют также на формирование зоны предраз-рушения в вершине коррозионно-усталостной трещины. Поэтому скорость роста коррозионно-усталостной трещины V будет опреде-.ляться не только коэффициентом интенсивности напряжений К, но и параметрами 41 (т), 4з (т),. .., 4п(т), характеризующими физико-химические процессы, протекающие в вершине трещины, между материалом и средой, и параметрами Вх (Р), В2 (Р), . .., Вт (Р), характеризующими поверхность разрушения Р, т. е. [c.288]

Т64 имеет два значительно различающихся плато скорост1Г на кривой V—К. Одно зависит от концентрации иодида, а другое не зависит (см. рис. 55). Предварительные экспериментальные результаты по влиянию температуры показывают, что плато скорости, не зависящее от концентрации иодидов, отвечает фактически термически ускоряющему процессу с энергией активации 84 кДж/моль, в то время как плато скорости, зависящее от концентрации иодидов, имеет энергию активации 16,8 кДж/моль. Это показывает, что термическая активация скорости роста коррозионной трещины тесно связана с коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины и фактически не должна иметь никакого отношения к испытаниям по времени до разрушения. Представляют интерес дальнейшие исследования этих явлений. [c.214]

Наиболее важные результаты былн получены в области исследования со- противления однократному статическому н динамическому разрушению с учетом начальных макродефектов на базе линейной и нелинейной механики разрушения. Это в первую очередь относится к разработке теории и критериев хрупкого и квазихруикого разрушений упругих и упругопластических тел с трещинами. К числу силовых, энергетических и деформационных критериев относятся критические значения коэффициентов интенсивности напряжений Ки и Кс, пределов трещиностойкости энергии разрушения Gi , G , Уь J , раскрытия трещин или бе, а также критические деформации в вершине трещин е . Для определения указанных характеристик известны многочисленные методики испытаний — на статическое растяжение плоских и цилиндрических образцов с трещинами, на статический изгиб и внецентренное растяжение плоских образцов, на внутреннее давление сосудов, на растяжение центробежными силами при разгонных испытаниях дисков. [c.21]

Далее изложено содержание работы Снеддона [2] по определению напряженно-деформированного состояния окрестности вершины трещины в плоской задаче и обобщение Ирвина [3] результатов Снеддона на осесимметричный случай. Рассмотрен также подход Ривлина и Томаса [4] к исследованию процесса разрушения резин, опирающийся на законы термодинамики. [c.10]

В результате анализа этих концепций и материала исследований случаев разрушения элементов конструкций машин и оборудования предложено рассматривать процесс коррозии под напряжением как следствие циклического механоэлектрохимического эффекта в агрессивных средах [3]. В местах поверхностных дефектов и на участках концентрации напряжений происходит образование микротрещин. Среда воздействует химически, увеличивая растрескивание, и электрохимически, способствуя ускорению развития трещины. Функционирует микрокоррозионная пара вершина трещины, представляющая обнаженные кристаллы металла, — анод, остальная поверхность под окисной пленкой — катод. Накапливающиеся на аноде продукты коррозии закупоривают трещину, так как их объем превышает объем металла в 1,5. .. 2 раза и расклинивают ее. Выделяющийся на катодных участках водород приводит к частичному восстановлению окисной пленки. Макрокоррозионная пара смещается по поверхности, и до расклинивания трещины продуктами коррозии в вершине трещины происходит изменение знака на отрицательный. Интенсивное выделение водорода на катоде способствует дальнейшему охрупчиванию и разрушению металла. [c.579]

Электрохимические условия в вершине трещины существенно отличаются от условий на поверхности [239, 263]. Вследствие этого роль коррозионньгх процессов на стадии развития разрушения может оказаться значительной, а результаты воздействия коррозионной среды — неоднозначными. Так, исследования циклической трещиностойкости углеродистых и низколегированных сталей в феде номинальных параметров реакторов с кипящей водой [330], а также другие эксперименты позволили сделать вывод [263], что диаграммы усталостного роста трещины в коррозионной среде не являются инвариантными характеристиками трещиностойкости материала. Их параметры зависят от начальньи условий нагружения, геометрии образца, длительности нагружения. Однако экспериментально установлено [240], что коррозионную трещиностойкость материала в водных средах однозначно огфеделяют конкретные сочетания значений коэффициента интенсивности напряжений, водородного показателя среды и электрохимического потенциала в вершине трещины. [c.490]

Высказывалось предположение, что возможны случаи, когда предпочтительна слабая поверхность раздела. Согласно Куку и Гордону [12], поле напряжений у вершины развивающейся трещины включает не только главные напряжения, стремящиеся раскрыть трещину в направлении ее распространения, но и напряжения, стремящиеся раскрыть ее в перпендикулярном направлении. Значит, эти дополнительные напряжения могут раскрывать плоскости с ослабленной связью, пересекаемые магистральной трещиной. Эм бери и др. [17] применили эти представления к случаю разрушения слоистых композитов. Они показали, что в пакете стальных листов распространение трещины задерживается процессом расслаивания это приводило к важному результату — снижению температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому более чем на 100 К. Эти исследования были продолжены Олмондом и др. [2], которые получили ряд новых данных об указанном типе структур, тормозящих распространение трещины. По очевидным соображениям аналогичный подход применим и к волокнистым композитам этот вопрос рассмотрен в гл. 7 в связи с проблемой разрушения. Значительные объемы композита, расположенные по обе стороны от магистральной трещины, могут быть охвачены одновременным действием различных механизмов разрушения, а в таких случаях, как показали Эдсит и Витцелл [1] на примере композитов алюминий — бор, вязкость разрушения композита может превосходить вязкость разрушения металлической матрицы. [c.25]

В результате интенсивного развития исследований кинетики усталостной трещины в конструкционных материалах на протяжении последних двадцати лет было предложено много различных методик испытания ЦТКМ. Этому в значительной мере способствовало применение линейно-упругой механики разрушения для описания развития усталостной трещины и установление Пэрисом и др. [6] зависимости скорости роста усталостной трещины v от коэффициента интенсивности напряжений в вершине усталостной трещины К в виде [c.285]

Раскрытие трещины и общий механизм хрупкого разрушения. Трудность применения метода линейной механики разрушения к сравнительно вязким конструкционным сталям низкой и средней прочности объясняется тем, что в этих случаях разрушение может быть связано со значительной локальной пластичностью. В таких материалах во время испытания образцов стандартных размеров с надрезом при нормальных скоростях деформации перед разрушением впереди напряженной трещины может распространяться пластическая зона. Вследствие этого невозможно проанализировать упругое напряженное состояние и вычислить показатель вязкости разрушения Кс- Уэллс (1969 г.) разработал метод, приняв, что неустойчивое распространение дефекта происходит при его критическом раскрытии около вершины (критическое раскрытие трещины или OD). Он предполагал, что это значение одинаково для реальных конструкций к образцов небольших размеров подобной толщины. Экспериментальное подтверждение было получено несколькими специалистами. Например, результаты определения разрушающих напряжений для охрупченных труб высокого давления из сплава циркония хорошо согласовывались с данными испытаний на изгиб образцов небольших размеров с надрезом для исследования критического раскрытия трещины (Фернихауф и Уоткинс, 1968 г.). Хорошее соответствие наблюдалось между поведением материалов при инициирующих испытаниях широкого листа и на изгиб образцов натурной толщины для выявления величины критического раскрытия трещины (Бурде-кин и Стоун, 1966 г.). В условиях малой пластической деформации можно показать, что усилие распространения трещины G есть произведение предела текучести Оу и критического раскрытия трещины б [c.236]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...