Анализ механизма распространения трещины

Анализ механизма распространения трещины [c.181]

С помощью синергетики представилось возможным с единых позиций описать поведение материала при различных условиях его нагружения. В результате этого оказывается возможным на основе анализа параметров рельефа излома, в рамках сохранения неизменным механизма разрушения или путем измерения скорости роста трещины определять эквивалентные характеристики кинетического процесса усталостного разрушения. Оказывается возможным из анализа рельефа излома получать информацию о всей совокупности реализованных факторов воздействия на материал, которые вызвали распространение трещины. Получаемые величины эквивалентных характеристик становятся количественными показателями затрат энергии на процесс усталостного разрушения. [c.22]

Итак, первоначальный анализ процесса разрушения элемента конструкции всегда подразумевает доказательство того факта, что разрушение является именно усталостным, а не иным, а это требует углубленного представления о возможных механизмах развития трещин в материалах при различных видах нагружения. Более того, процесс распространения усталостных трещин завершается переходом к быстрому статическому или повторно-статическому разрушению. Поэтому для удобства дальнейшего изложения представлений о закономерностях роста усталостных трещин в элементах конструкций необходимо первоначально дать краткое изложение представлений о механизмах разрушения металлов при различных условиях их нагружения. [c.82]

В композите зарождение дефекта и распространение трещины могут иметь место в трех возможных областях в матрице, в волокне и по границе раздела волокно — матрица. В первых двух случаях механизм разрушения аналогичен разрушению однородных материалов. Если возможен анализ напряжений в локальном масштабе, то допустимо и описание общего процесса разрушения. В последнее время начали уделять внимание теоретическим решениям задач локального взаимодействия между трещинами и включениями, например проведен (48, 62] анализ напряжений при взаимодействии трещины с отдельным сингулярным включением. [c.256]

Эти и другие многочисленные примеры показывают, что при ползучести помимо деформации и разрушения важной проблемой 143], как и при усталости, является механизм распространения треш 1ны до возникновения повреждения. Тем не менее систематические испытания на распространение трещины при ползучести при постоянных температуре и напряжении с применением образцов с надрезом до 1970 г. практически не проводились. Одной из причин такого положения было то, что постановка проблемы зависела от знаний и имеющихся данных по ползучести. Исходили из того, что во-первых, не существует таких испытаний, которые можно было бы легко осуществить как испытания на распространение треш шы при ползучести во-вторых, предполагалось, что процесс распространения трещины при ползучести по сравнению с усталостью занимает очень малую часть общей долговечности до разрушения , в-третьих, считали, что одна магистральная трещина, анализ состояния которой возможен с использованием механики разрушения, не вызывает разрушения при непрерывном распространении, а разрушение [c.162]

Анализ усталостного излома занимает важное место при установлении причин поломок деталей в эксплуатации. По усталостным полосам можно выявить очаг разрушения и проанализировать роль конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов, определивших разрушение. Наряду с макро-фрактографией широко применяется электронная фрактография (для определения механизма распространения усталостных трещин на различных стадиях их развития). [c.226]

Для оценки работоспособности различных материалов в условиях, приближающихся к эксплуатационным, в последние годы стали широко привлекать механику разрушения. В этой книге рассмотрены методы оценки работоспособности материалов с точки зрения сопротивления их разрушению. Большое внимание уделено теоретическим аспектам разрушения, анализу поля напряжений у надрезов и трещин, а также применению механики разрушения к проблеме распространения трещин в условиях усталости и коррозии под напряжением. Приведены тщательно систематизированные данные о разрушении материалов в условиях линейно-упругой и упруго-пластической деформации. Описаны механизмы перехода от хрупкого разрушения к вязкому. [c.4]

Анализ данных о влиянии нестационарного режима нагружения на предельные величины коэффициентов интенсивности напряжений применительно к алюминиевому сплаву Д1Т показывает, что при уровне соотношения = (1--/ )< 0,2 усталостные бороздки в случае нагружения по схеме растяжения не формируются (рис. 119). Процесс разрушения будет полностью определяться механизмом сдвига по типу И. Эти же данные показывают, что величина б,- в большей степени определяется размахом коэффициента интенсивности напряжений Д/Сь Минимальная величина (A/ i) min — (A/(f ) для сплава Д1Т, ниже которой усталостные бороздки в изломе не формируются, близка к 6,2 МН м (рис. 120). Указанная величина может быть принята как пороговая для циклического нагружения материала (А/С/д), ниже которой при распространении трещины не реализуется механизм нормального отрыва. Это значение близко к значению постоянной Л в уравнении (104) для сплавов алюминия. [c.275]

Анализ рассмотренных результатов позволяет заключить, что основные различия в скорости ползучести относятся к третьей стадии процесса, тогда как на первых двух стадиях скорость практически не зависит от среды. Обычно подобное поведение сплавов при ползучести принято объяснять, исходя из предположения о существовании в этих условиях двух конкурирующих механизмов. Один из них — упрочнение металла благодаря окислению, второй — разупрочнение вследствие уменьшения поверхностной энергии металла при испытании на воздухе по сравнению с таковой для вакуума. Снижение поверхностной энергии при окислении свежей поверхности трещины способствует более интенсивному ее распространению и ускорению ползучести. При условиях, соответствующих упрочнению материала при испытании на воздухе, преобладает насыщение объема образца кислородом, в то время как при отсутствии интенсивного окисления доминирует конкурирующий процесс разупрочнения. Относительная скорость обоих процессов может быть изменена соответствующим варьированием скорости деформации, температуры, давления газовой среды. Процесс упрочнения становится особенно эффективным после образования трещин на третьей стадии ползучести это подтверждает газовый анализ образцов, показывающий, что именно в этот период наблюдается наибольшее поглощение кислорода и азота сплавом [396]. [c.439]

Анализ разрывов и перегибов кривых усталости на различных участках полной кривой усталости, проведенный в работах [5, б, 20, 32], показывает, что это явление возникает из-за различий механизмов либо зарождения трещины, либо ее распространения, либо зарождения и распространения вместе, при различных уровнях циклического напряжения. На существование этого эффекта влияет ряд факторов, в том числе исходного структурного состояния материала и его способности к упрочнению или разупрочнению, а также степени его стабильности (выделе- [c.26]

В исследованиях закономерностей распространения усталостных трещин также наблюдаются сложные зависимости между структурным состоянием и сопротивлением росту трещин. Влияние размера зерна (в диапазоне от 15,5 до 36,7 мкм) на сопротивление росту усталостной трещины в алюминиевом сплаве системы Al-Zn-Mg u в листовых образцах (толщина 1,6 мм) с центральной трещиной рассматривалось в работе [9]. Из анализа кинетических диаграмм усталостного разрушения следует (рис, 6.11), что наилучшее сопротивление распространению усталостной трещины наблюдается у крупнозернистого материала, а наихудшее - у образцов с размером зерна 24,1 мкм. Такая закономерность связана с особенностями механизма усталостного разрушения. Именно у материала с размером зерна 24Д мкм наблюдается на поверхно- [c.217]

С целью изучения механизма распространения трещины проведен фрактографический анализ хрупких зон изломов. Результаты этих исследований приведены в табл. 5.16. Изломы получены путем разрушения стандартных ударных образцов в среде жидкого азота. Распространение трещины происходит в основном по телу, частично по границам зерен (рис. 5.98). Из табл. 5.16 следует, что существенного ослабления границ зерен феррита в стали на удалении от трещин не происходит ни в основном металле, ни в металле сварного шва. Доля межзеренного разрушения варьируется от 4,1 до 11%. Эти данные указывают на слабое влияние среды на когезивную прочность границ зерен феррита и колоний перлита в щелочной среде за пределами трещин, Появление межзеренного разрушения, по-видимому, связано с наводороживанием стали в результате протекания электрохимического процесса коррозии непосредственно у вершины трещины. [c.346]

При низких скоростях роста трещины в меди и стали наблюдали ровные плоские участки, покрытые вырожденными бороздками. На первой стадии развития усталостной трещины в низкоуглеродистой стали макроскорость роста трещины примерно на два порядка меньше микроскорости, оцениваемой по ширине усталостных бороздок [240]. Приведенный выше анализ взаимосвязи структуры материалов и механизмов разрушения с диаграммой усталостного разрушения показывает, что исследование механизмов распространения трещины при циклических нагрузках позволит в итоге приступить к конструированию материалов с высокой трещиностойкостью. [c.163]

Одним из наиболее вероятных механизмов распространения усталостной трещины в конце I стадии и в начале II стадии РУТ является механизм распространения трещин в условиях отрыва с реализацией двойных плоских скоплений на некотором расстоянии от вершины трещины [28]. При анализе этого механизма в качестве критерия зарождения дислокационной трещины впереди магистральной трещины было принято условие безактиваци-онного слияния первых четырех дислокаций из двойного скопления. Это слияние происходит при достижении теоретической прочности на сдвиг с образованием дислокационной трещины минимальной длины 2Ь (Ь - вектор Бюргерса). Этот механизм соответствует экспериментально наблюдаемому дискретному [c.123]

В качестве примера на рис. 2 показан образец биметаллической композиции Ст. 3+Х18Н10Т, испытанный в криостате в среде жидкого азота. На поверхности образца видна переходная зона с остановившейся трещиной. Анализ микрофотографии, приведенной на рис. 2, показывает, что распространение трещины происходило в направлении от надреза в слое стали Ст. 3 перпендикулярно границе раздела слоев биметалла. При переходе трещины из стали Ст. 3 в сталь Х18Н10Т развивается значительная пластическая деформация, приводящая к изменению механизма разрушения. Рассматривая характер распространения трещины с позиций механики, можно предположить, что хрупкий излом сколом переходит в вязкий срезом. Энергия распространения трещины переходит в энергию пластической деформации, скорость трещины резко снижается и происходит остановка трещины. [c.38]

Анизотропия прочности ВКМ обусловливает разнообразие возможных механизмов разрушения в вершине трещины, перпендикулярной армированию, — распространение трещины может происходить не только в направлении, нормальном приложенной нагрузке. Объяснение этому феномену было получено при анализе поля напряжений, возникающего около эллиптического отверстия с полуосями а и Ь при растяжении в направлении малой полуоси Ь [26]. Напряжения сгц, перпендикулярные плоскости трещины, достигают максимального значения непосредственно в вершине трещины, тогда как максимум 022 находится на некотором расстоянии от вершины, на линии продолжения большой полуоси. Для изотропного материала отношение (J22m ix / ПрИ умеНЬШСНИИ Ь / а СТрСМИТСЯ К ПОСТОЯННОЙ ВС- [c.242]

Стойкость композиционных материалов к разрушению определяется большим числом факторов и существует множество предположений, какой из вероятных микромеханических механизмов разрушения вносит основной вклад в работу разрушения. Более подробное обсуждение этого вопроса будет проведено при анализе работы разрушения материалов с непрерывными волокнами, а здесь изложены некоторые общие представления. В композиционных материалах на основе хрупкой матрицы (отвержденные эпоксидные или полиэфирные смолы) и хрупких волокон (стеклянных, углеродных или борных) поверхностная энергия разрушения волокон равна примерно 5 Дж/м , матрицы — не более 500 Дж/м , а материала в целом при хорошем его качестве и высокой степени ориентации — около 200-Дж/м и даже выше. Предполагается два основных механизма поглощения энергии при разрушении таких материалов — на преодоление трения волокон относительно матрицы при их извлечении из нее или на упругий отрыв волокон от матрицы [65]. В композициях с короткими волокнами более важную роль играет первый механизм, так как концы большинства волокон должны быть ближе к поверхности трещины, чем половина критической длины и, следовательно, эти концы будут извлекаться из матрицы при распространении трещины. При этом работа по преодолению трсиия волокон относительно матрицы при их извлечении дает основной вклад в измеренную энергию разрушения материала. Купер [66] показал, что максимальная энергия разрушения композиций с короткими волок- [c.100]

Еще одно подтверждение описанного мик-роструктурного механизма распространени разрушения дает анализ экспериментов по старту трещины. Критерий начала разрушения, согласно идеализированной модели, заключается в следующем рост трещины следует немедленно после достижения КИН критического значения. Из [c.172]

Приведем некоторые результаты анализа модели распространения коротких усталостных трещин на I и П стадиях в условиях циклического кручения цилиндрических образцов из среднеуглеродистой стали [145, 337]. Поскольку микроструктурно короткая трещина рас-постраняется по сдвиговому механизму, то привлечение критерия Треска достаточно обоснованно при переходе от уравнения скорости роста трещины на стадии I при одноосном растяжении-сжатии к уравнению скорости роста микроструктурно короткой трещины при сложном напряженном состоянии. Па стадии П роста физически коротких трещин критерий Треска коррелирует с экспериментальными результатами, полученными Занг [399] для области высоких значений размаха деформаций. Использование критерия Рэнкина предпочтительно для режимов нагружения с низким уровнем размаха деформаций. Согласно уравнению (1.4.8) скорость роста трещин на стадии П зависит от длины трещины и размаха деформаций, а следовательно справедливость области использования критерия Рэнкина может быть проанализирована из пороговых условий dl/dN = О (рис. 1.17). Экспериментальные точки лежат между расчетными но-эоговыми линиями, соответствующими критериям Треска и Рэнкина. Следовательно для корректного использования уравнения (1.4.8) в ninpoKOM диапазоне размахов сдвиговых деформаций А7 необходима модификация рассмотренных критериев эквивалентных состояний через соответствующие пороговые условия. [c.43]

Создание моделей, критериев и методов анализа катастрофического разругиения становится одним из главных направлений фундаментальных и прикладных исследований в области анализа и обоснования безопасности поврежденных конструкций [154]. Естественно, что для анализа механизмов катастрофических разругиений необходимо привлекать подходы динамической механики разругиения. Именно динамическая механика разругиения позволяет рассматривать задачи, связанные с определением напряженно-деформированного состояния у вергиины стационарной и нестационарной трещины при воздействии гармонических и ударных нагрузок, формулировать критерии старта, распространения и остановки трещины, а также исследовать закономерности развития нестационарных трещин. Для региения указанных задач используют аналитические методы в рамках идеализированных [c.247]

В книге показана необходимость при диагностировании технического состояния и оценке остаточного ресурса конструкций более широко использовать методы фрактографии, непосредственно воспро-изводяш ей рельеф излома, который отражает механизм разрушения от места зарождения трепдины на всех стадиях ее распространения. Количественная фрактография эффективна при оценке состояния материала даже когда в конструкции еще нет треш ин. Анализ изломов металла таких конструкций позволяет оценить его реакцию на возможное распространение трещины. Фрактографический метод исследования получил признание в нормативно-технической документации РД 03-421-01 [2], РД 03-380-00 [3], РД 03-410-01 [4]. [c.8]

Усталостный характер нагружения элементов конструкции находит свое отражение и в строении поверхности разрушения. Именно специфические особенности распространения усталостных трещин позволяют распознать механизм усталостного разрушения. Характерные признаки, выявляемые методами световой и электронной фрак-то графии, являются основой для анализа механизма зарождения и роста усталостных трещин, их скорости и задержки, влияния внутренних и внешних факторов. [c.59]

Механизм распространения усталостной трещины зависит от разнообразных и сложных факторов и является сложным взаимодействием таких процессов, как циклическое скольжение и накопление очагов повреждения впфеди распространяющейся трещины. Большинство предложенных теорий роста трещин удовлетворяет лишь ограниченному интервалу длины трещины и скорости ее роста. Поэтому скорость распространения усталостной трещины не может быть просто описана любь(м из существующих законов во всем диапазоне циклических напряжений. При этом дополнительные трудности возникают из-за влияния приложенного напряжения, температуры, окружающей среды, а также размеров и формы деталей и конструкций, Однако в довольно широких предепах изменения условий нагружения и геометрии трещины экспериментальные данные по наблюдению за распространением усталостной трещины могут быть описаны с использованием размаха коэффициента интенсивности напряжений. Размах коэффициента интенсивности напряжений является достаточно удобной базой для проведения различных исследований, обобщения и анализа эксп зиментальных данных, получаемых исследователями на образцах различной формы и с разнообразными по длине и геометрии трещинами. [c.162]

Усталостные изломы дают ценную информацию о работе металла в эксплуатационных условиях. Характерные признаки строения поверхности разрушения при наличии микро- и макротрещин являются дополнительной основой для анализа механизма зарождения и распространения усталостных трещин, их стабильного роста, торможения и ускорения, характера воздействия различных внешних и BHytpeHHHx факторов. Поэтому методы фрактографического анализа широко используют для установления количественных корреляций между элементами структуры и механическими свойствами металлов в локальной зоне упруго-пластических деформаций в экстремальных условиях нагружения. Поскольку разрушение в этих условиях происходит при все возрастающих значениях коэффициента интенсивности напряжений и сменяющих один другого механизмов разрушения. [c.320]

Библиография работ по усталости слоистых композитов весьма обширна. Результаты последних исследований можно найти в [45—47]. Уравнения в форме (6.19) не нашли, по-видимому, широкого применения для анализа поведения слоистых композитов с концентраторами напряжений. Это не удивительно по причинам, отмеченным ранее. Однако такие уравнения успешно использованы в работе [48] для расчета скорости роста трещины в слоистых стальных пластинах и распространения расслоения в слоистых образцах графит — алюминий или S-стекло — алюминий. В работе [49] при сопоставлении данных для слоистого композита в виде мата из рубленого Е-стекла на полиэфирном связующем со степенным уравнением в форме (6.19) найдено, что /г 5. В работе [50] обнаружено, что для стеклопластика (S ot hply 1002) со схемой армирования [90°/0790°]s при нагружении в направлении 0° соответствие с уравнением (6.19) можно получить, положив п= 1. Во всех этих работах предполагалось, что основной механизм сопротивления росту трещины состоит в затуплении магистральной трещины ири прорастании перед ней в перпендикулярном направлении вторичных трещин. [c.243]

Следующий фактор, который необходимо учитывать при анализе циклической трещиностойкости материалов на стадии зарождения трещины, — это эффект ее закрытия (преждевременный контакт ее берегов). На него обратил внимание Элбер [319], указавший на важность влияния преждевременного закрытия трещины на кинетику роста усталостной трещины. Для припороговой области кинетической диаграммы характерен низкий уровень раскрытия трещины, что и создает благоприятные условия для смыкания ее берегов из-за наличия на поверхности устья трещины инородных частиц, неровностей поверхности и др. Проявления и механизмы закрытия усталостных трещин рассмотрены в [320]. Мы же отметим, что эффект закрытия трещины выражается в эквидистантном смещении КДУР вправо относительно инвариантной КДУР. Роль закрытия трещины сводится к замедлению перехода от ее зарождения к ее распространению. [c.199]

В работе [237] при масс-спектроскопическом анализе газовых продуктов, образующихся при солевой коррозии сплавов Т1—8А1—1Мо—IV и Т —5А1—2,55п, был обнаружен водород. Оценка распределения водорода по сечению образца с использованием трития показала, что водород концентрируется в тонком поверхностном слое толщиной примерно 10 мкм. Роль напряжений сводится к тому, что они нарушают поверхностную окисную пленку, облегчают абсорбцию водорода металлом и развитие хрупкости. Газообразный водород высокого давленпя вызывает растрескивание образцов с предварительно нанесенной трещиной, сходное с солевой коррозией, причем вязкий, внутрикристаллитный характер разрушения сменяется на хрупкий, межкрпсталлптпый. Подобная смена механизма разрешения наблюдается при концентрациях водорода порядка 0,01%, когда в структуре металла нет гидридов. Если сплавы Т1—8А1 — 1Мо—IV и Т1 — 5А1—2,58п облучить протонами прп 200° С при одновременном действии напряжений, то наблюдается такой же характер зарождения трещин и их распространения, как и при солевой коррозии. Содержание водорода в облученных протонами образцах достигало 0,02%. [c.221]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...