Меню

  • На главную

Поиск

  • Физическая природа масштабного эффекта ч.2

    Posted 8/2/2009 в 6:33:15 ПП

    В 1950 г. Г. В. Ужик предложил оценивать сопротивление отрыву лутем испытаний на растяжение круглых образцов с острым кольцевым надрезом. В развитие этой методики Ю. И. Лихачев (1956) предлагал в процессе растяжения измерять также диаметр в надрезе. А. Е. Аснис (1947) качественно оценивал хрупкость стали путем инициирования ударом трещины в надрезе сварного соединения, находящегося под действием внутренних напряжений; в качестве характеристики принималась наибольшая температура, при которой происходило хрупкое разрушение.
    Существенным этапом в развитии экспериментальных методов оценки хрупкой прочности явилось использование образцов с заранее полученной усталостной трещиной в испытаниях на статический или ударный изгиб, предложенное Б. А. Дроздовским и Я. Б. Фридманом (1955—1960) в качестве универсальной методики оценки чувствительности металлов (в том числе высокопрочных) к трещине. Эта методика позволяет при помощи специальных вибраторов достаточно легко получить практически любую усталостную трещину с радиусом кривизны в ее конце, который может быть на порядок меньше радиуса кривизны обычной трещины отрыва, т. е. заведомо обеспечивает   требование наибольшей остроты надреза.
    Отметим здесь еще методику В. Д. Робертсона, по которой трещина иницируется ударом из локально охлажденной области вблизи конца надреза, а затем оцениваются температура и напряжение остановки трещины. Некоторое видоизменение этой методики (применение статических контролируемых нагрузок) было осуществлено В. Г. Черкашкиным и И. М. Розенштейном (1964). А. П. Гуляев (1967) исследовал на ударный изгиб образцы с надрезами различной остроты и экстраполировал зависимость «ударная работа — радиус надреза» прямой линией вплоть до нулевого значения радиуса.
    В 1965—1967 гг. Я. Б. Фридман, Б. А. Дроздовский и В. М. Маркочев предложили строить «диаграмму разрушения» (зависимость прироста трещины от приложенного напряжения, числа циклов или времени) в качестве характеристики способности материала тормозить разрушение. При построении таких диаграмм в листовых материалах была использована разработанная ими методика регистрации развития трещины.
    В. С. Иванова (1967) предложила определять вязкость разрушения на усталостных трещинах по разрушающему напряжению цикла.
    Экспериментальные исследования динамики роста трещин выполнил В. М. Финкель (1964 и сл.).
    В последние годы все большее признание в СССР среди работников прикладного направления и экспериментаторов начинает находить подход к рассмотрению   развития трещин и связанных с ним вопросов  разрушения и прочности в рамках исследования тонкой структуры конца трещины, т. е. в рамках одного (для наиболее важного практически случая трещин нормального разрыва) параметра, описывающего распределение напряжений и деформаций вблизи конца трещины,— коэффициента интенсивности напряжений. Эта точка зрения хорошо согласуется с математической теорией квазихрупких трещин и, несмотря на свою ограниченность (она не применима к вязкому или близкому к нему разрушению), весьма прогрессивна.
    Экспериментальные работы по контролируемому разрушению (с трещинами) в таком направлении выполнили Б. М. Малышев (1964, 1965} (опыты по расклиниванию), С. Е. Ковчик и В. В. Панасюк (1963—1967) (исследование роста трещины под действием сосредоточенных сил, изучение влияния влажности и температуры на поверхностную энергию стекла и т. п.), В. М. Маркочев (1966) (исследование скорости роста трещин под действием циклических нагрузок).
    Контролируемый устойчивый рост хрупкой трещины было предложено использовать для определения постоянных хрупкого разрушения и тем самым чувствительности материалов к трещинам.
    Следует отметить изящный способ прямого определения эффективной поверхностной энергии по гистерезисной ветви, полученной в координатах «смещение — сила» при нагружении и разгрузке в процессе устойчивого подрастания трещины. Этот способ применительно к нагружению сосредоточенными силами был предложен С. Е. Ковчиком и В. В. Панасюком (1961). За границей аналогичный метод применительно к началу нестабильного роста трещин в металлах был использован Дж. Р. Ирвином в 1958 г. (так называемый метод смещения или податливости). При таком подходе не используются теоретические решения, а поэтому этот метод, нужно применять для любой формы тела; последнее в некоторых случаях может представлять большое практическое удобство.
    Для теории разрушения в переходной области, когда размер пластической зоны сравним с характерным линейным размером тела, представляют интерес решения задач для идеально упруго-пластических тел с разрезами нулевой толщины. Дополненные каким-либо условием локального разрушения в конце трещины, эти решения позволяют определить зависимость прочности от формы и конфигурации тела и, в частности, вычислить масштабный эффект в переходной области. Существенно подчеркнуть,, что при этом жестко-пластическое (вязкое) и хрупкое разрушения описываются всегда как некоторые предельные случаи,
    В качестве критериальной величины, определяющей начало роста конца трещины, предлагались скачок смещения в конце трещины в том случае, когда пластические деформации сконцентрированы вдоль линии нулевой толщины на продолжении трещины (М. Я. Леонов и В. В. Панасюк, 1959), и удельный поток энергии в конец трещины (Г. П. Черепанов, 1967).
    Отметим некоторые полученные теоретические решения. М. Я, Леонов и В. В. Панасюк (1959, 1961) получили решение плоской и осесиммет-ричной упругих задач для одной трещины с разрывом нормального смещения на продолжении трещины; это упругое решение может быть истолковано как решение упруго-пластической задачи в приближенной постановке (постановке Д. С. Дагдейла, названной так по имени английского ученого, который в 1961 г. на основании экспериментальных наблюдений предложил аналогичное решение в качестве решения упруго-пла-стической задачи). М. Я. Леонов и Н. Ю. Швайко (1961) рассмотрели твердое тело, деформируемое упруго всюду, за искоючением прослоек «плохого материала» (полосы скольжения), который можно мысленно вырезать, заменив его действие соответствующими силами. При этом возникает задача линейной теории упругости о деформации тела с разрывными перемещениями на некоторых поверхностях. П. М. Витвицкий и М. Я. Леонов (1960—1962) решили некоторые плоские задачи с линейными дислокациями Вольтерра. Ими найдены значения функций Колосова — Мусхелишвили, определяющих напряженно-деформированное состояние под действием линейной дислокации в неограниченной плоскости с эллиптическим отверстием.
    В работах П. М. Витвицкого и М. Я. Леонова предложена расчетная схема в задачах о развитии полос скольжения около острых концентраторов напряжений в упруго-пластических материалах, с помощью которой найдено решение задачи для пластины с узкой щелью или круговым отверстием. Последняя задача была также предметом исследований Л. Л. Ли-бацкого (1966). В этих работах получена зависимость длины полос пластичности от нагрузки.
    П. М. Витвицкий, М. Я. Леонов и С. Я. Ярема (1963) показали, что первые косые полосы скольжения в конце разреза при растяя^ении тонких металлических пластин возникают при напряжениях на бесконечности, равных 0,66 as, где as — предел текучести материала, в то время как направление этих полос образует с плоскостью трещины угол в 58°. Экспериментальное подтверждение эти результаты получили в работах С. Я. Яре-мы (1962, 1964). Этот же вопрос исследован в работе К. Н. Русинко (1964).
    При исследовании возможности существования устойчивой трещины в задачах о разрушении упруго-пластических пластин Л. Г. Лукашев (1963) развивал представления, близкие к модели Леонова — Панасюка.
    П. М. Витвицкий (1965) исследовал вопрос об упруго-пластических деформациях тонкой пластины, ослабленной коллинеарными трещинами равной длины, а также двумя внешними полубесконечными трещинами, в условиях растяжения на бесконечности усилиями, перпендикулярными линии расположения трещин.
    В работе Б. В. Кострова и Л. В. Никитина (1967) получено решение задачи для трещины продольного сдвига с бесконечно узкой пластической зоной вблизи концов трещины, причем на границе пластической зоны требуется выполнение условия пластичности Мизеса.
    Г. П. Черепанов (1962) получил решение упруго-пластической задачи для трещины продольного сдвига с пластической зоной, формы и размеры которой определяются. В 1967 г. он предложил решение упруго-пластической задачи о распределении напряжений и деформаций в окрестности конца щели; материал предполагался несжимаемым, со степенной зависимостью между вторыми инвариантами девиаторов напряжений и деформаций. Дефекты, служащие причиной разрушения образца или конструкции, можно условно разделить на дефекты, образующиеся в металлургическом процессе, создаваемые в технологическом процессе и возникающие или развивающиеся в процессе эксплуатации конструкции (например, коррозионные или усталостные трещины). Сплав, образующийся в результате металлургического процесса, весьма сложен по свой структуре (неоднороден, анизотропен, со сложным распределением внутренних напряжений). Задачей металлургического процесса, помимо определенных условий химической и температурной устойчивости сплава, является создание минимальных по размерам и однородно распределенных в пространстве структурных ячеек, границы которых играют роль энергетических прочностных барьеров (такими ячейками чаще всего являются зерна основного металла и химически активных примесей, образующиеся из центров кристаллизации при отвердевании расплава; роль барьеров, по-видимому, играют межкристаллитные пленки, образующиеся из химически неактивных атомов примесей, которые оттеснены к границе в процессе роста зерен). При этом начальный тре-щиновидный дефект в процессе нагружения развивается примерно до контролируемых заранее размеров зерна, так что в момент разрушения величина d примерно равна диаметру наибольшего зерна. Это поясняет тот факт, что прочность даже очень хрупких сплавов меняется в относительно небольшом диапазоне по сравнению с прочностью аморфных материалов типа стекла. Таким образом, основной путь увеличения металлургической прочности с точки зрения линейной механики разрушения состоит в увеличении Кic (применением легирующих добавок и термообработки, влияющей на фазовые превращения, в первую очередь на границах зерен) и уменьшении размера наибольшего зерна (гомогенизацией процесса кристаллизации).
    Некоторые исследователи указывали на важность учета общего запаса упругой энергии и податливости системы для объяснения масштабного эффекта (Н. Н. Давиденков, Т. К. Зилова, И. А. Разов, Я. Б. Фридман, Е. М. Шевандин и др.).