Меню

  • На главную

Поиск

  • Физическая природа масштабного эффекта ч.1

    Posted 8/2/2009 в 6:28:39 ПП

    Эволюция взглядов на физическую природу масштабного эффекта была сравнительно длинной и мучительной. Это было вызвано тем, что феноменологические представления о хрупкости и пластичности носили описательный характер, связанный с наблюдением процесса разрушения и формы поверхностей излома. Хрупкое разрушение характерно быстрым протеканием процесса разрушения, отсутствием шейки, ориентировкой поверхности отрыва вдоль площадки наибольшего главного растягивающего напряжения. При вязком разрушении, когда развиваются значительные пластические деформации, в образце образуется шейка, а поверхность отрыва ориентируется вдоль площадки максимального касательного напряжения. Однако на практике во всех материалах в различной мере имеет место сочетание хрупкого и вязкого разрушения.
    При увеличении масштаба образца и наличии в нем надрезов или каких-либо концентраторов напряжений наблюдается тенденция к возрастанию вероятности хрупкого разрушения. Поэтому первый вопрос заключается в том, как сравнивать пластический и хрупкий характер разрушения материалов (как определять сопротивление отрыву и склонность материала к хрупкому разрушению). Несмотря на то что теоретический ответ на этот вопрос был дан еще в классической работе А. А. Гриффита (1920), она в течение почти тридцати лет не оказывала влияния на решение вопросов для конструкционных металлов»
    Трудность сравнения состоит в том, что идеальной пластичности масштабный эффект не свойствен, а в области хрупкого разрушения прочность зависит также от внутренних структурных параметров размерности длины. Последними, по теории А. А. Гриффита, являются длины некоторых начальных трещин, всегда присутствующих в реальном материале, а на самом деле роль трещин могут играть различного рода концентраторы напряжений (инородные включения, пустоты, поры и т. д.), как это впервые подчеркнули А. П. Александров и С. Н. Журков (1933).
    Только в последние годы получила общее признание сравнительная оценка материалов по хрупкости или пластичности путем испытания на разрыв образцов с искусственно создаваемой трещиной минимально возможного радиуса кривизны в ее конце (создающей относительно наибольшую концентрацию напряжений). Основную роль в формировании этой точки зрения сыграли работы Н. Н. Давиденкова, А. Ф. Иоффе, Г. В. Ужика, Я. Б. Фридмана, Б. А. Дроздовского.
    При таком способе испытания заранее локализуется место разрушения и тем самым сводится к минимуму статистический фактор; остаются лишь физические причины, лежащие в основе явлений вязкого и хрупкого разрушения и позволяющие объяснить масштабный эффект. При этом, как показали многочисленные эксперименты (см., например, работу С. В. Серенсена и Н. А. Махутова, 1967), среднее напряжение в сечении нетто в момент разрушения оп для образца с надрезом следующим образом зависит от характерного линейного масштаба I (глубины надреза-трещины или расстояния ее конца от противоположной стороны образца): при малых L и соблюдении условий геометрического подобия величина ап не зависит от L и равна металлургической прочности данного сплава (вязкое разрушение); с возрастанием масштаба L прочность оп падает, стремясь к квазихрупкой асимптотике Гриффита — Ирвина (хрупкое разрушение»А. Ф. Иоффе (1924) впервые предложил весьма удобную схему, пояс-няющую переход вязкого разрушения в хрупкое с понижением температуры. Согласно этой схеме напряжения ав и а0#2 по-разному зависят от температуры т: первое возрастает с увеличением Г, а второе — убывает, так что точка пересечения этих кривых (температура хладноломкости) разделяет области вязкого и хрупкого разрушения.
    Развивая схему А. Ф. Иоффе, Н. Н. Давиденков (1930—1936) ввел понятия хрупкого и вязкого сопротивления отрыву. Сопротивление отрыву он предлагал оценивать растяжением гладких образцов в жидком азоте. В 1930 г. Н. Н. Давиденков опубликовал исследование А. М. Драгоми-рова (выполненное в 1917 г.), который первым обратил внимание на связь между видом излома и характером снижения нагрузки после максимума при изгибе надрезанных образцов (кристаллические участки в изломе соответствуют срывам нагрузки). Н. Н. Давиденков связал эти наблюдения с испытаниями на ударную вязкость. В эти же годы Н. Н. Давиденков развил определение критической (переходной) температуры хрупкости при помощи построения кривых «ударная вязкость — температура»г им было предложено также использовать эти кривые для косвенного определения сопротивления отрыву. Н. Н. Давиденков (1938) отметил, что наиболее чувствительна к температуре испытания та часть работы сопротивления, которая затрачена после достижения максимальной величины нагрузки, и что понижение температуры в первую очередь уменьшает именно эту характеристику.
    В 1946 г. Б. А. Дроздовский разделил работу изгиба надрезанного образца на работу упруго-пластических деформаций при заданном надрезе и на работу, израсходованную на развитие трещины; последнюю он пред-лоншл использовать в качестве количественной оценки вязкости разрушения материала (отвечающейкачественной оценке по виду излома). Эта концепция весьма похожа на обобщение концепции Гриффита, примерно в то же время развивавшееся за границей К. Зенером, Дж. Г. Холомоном, Дж. Р. Ирвином, Э. О. Орованом.
    Отметим некоторые работы по определению сопротивления отрыву гладких образцов. Сопротивление отрыву предлагалось оценивать круговым изгибом дисков при температуре —196° С (Я. Б. Фридман, 1941), испытанием на растяжение тонкого диска, приваренного к двум тягам более твердого материала (А. Л. Немчинский, 1950—1955).
    С. И. Ратнер (1959) изучала корреляцию величины сопротивления отрыву с величиной разрушающего напряжения при повторных нагрузках. М. В. Якутович и В. А. Павлов (1953) исследовали связь типа напряженного состояния с направлением роста трещин.
    П. О. Пашков (1950) проводил исследование сопротивления материала хрупкому и вязкому разрушению в связи со структурой материала и формой образца. Я. М. Потак (1955) дал обстоятельный анализ хрупких разрушений конструкций из легированных сталей и показал опасность хрупкого разрушения для сплавов с крупным зерном феррита. Е. М. Шевандин (1953—1965) провел обширные экспериментальные исследования в области хладноломкости малолегированных конструкционных сталей.
    Для ряда конструкционных сталей Т. А. Владимирский (1953—1958) построил пространственные диаграммы «ударная вязкость — острота надреза — температура»; оказалось, что при изменении остроты надреза материалы могут меняться местами по сравнению с их оценкой по температуре хладноломкости. Развивая представления Н. Н. Давиденкова, Я. Б. Фридман (1941 — 1952) предложил так называемую обобщенную теорию прочности, получаемую путем синтеза теории наибольших касательных напряжений и теории наибольших удлинений. Предложенные Я. Б. Фридманом диаграммы механического состояния учитывают как вид напряженного состояния, так и свойства материалов (сопротивление отрыву и сопротивление текучести или срезу). Для одного и того же материала, как следует из этой теории, критерием разрушения в зависимости от отношения растягивающих и максимальных касательных напряжений может быть либо сопротивление срезу, либо сопротивление отрыву.
    На образцах с щелевыми дефектами методом накатанных сеток было показано, что процесс разрушения локализуется вблизи конца щели (Я. Б. Фридман й Т. К. Зилова, 1950—1959).