ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2013
УДК 539.43
© 2013 г. Романов А.Н.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩИН УСТАЛОСТИ И ЕДИНАЯ КРИВАЯ
ЦИКЛИЧЕСКОЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
На основе экспериментальных исследований скоростей развития трещин при циклическом нагружении показано существование единой (обобщенной) кривой циклической трещиностойкости, описываемой зависимостью скорости развития трещины от скорости накопления повреждения. Даны критерии по определению уровней накопления повреждений и предельных состояний в процессе нагружения.
Повышение надежности деталей машин и конструкций требует разработки и обоснования уточненных методов расчета долговечности и живучести как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации изделий при экстремальных условиях нагружения (большие переменные нагрузки, высокие температуры). Создание таких методов требует исследования закономерностей поведения конструкционных материалов на основе проведения экспериментальных исследований при нагружениях в условиях, приближенных к эксплуатационным.
Значительное число современной техники, обладающей, как правило, высокой металлоемкостью, работает в экстремальных условиях: высокая силовая нагруженность, высокие температуры, вибрационные воздействия, агрессивная среда, переменные нагрузки, вызывающие во многих случаях в зонах концентрации напряжений значительные пластические деформации, многократное повторение которых приводит к накоплению повреждений (трещин) и в конечном счете — к разрушению. Исследование закономерностей развития разрушения на различных стадиях циклического деформирования и описании предельных состояний на основе использования критериев линейной и нелинейной механики разрушения, а также на использовании феноменологических подходов, основанных на экспериментальных данных, является важной фундаментальной научной и практической проблемой.
В настоящей статье на основе анализа экспериментальных данных выполнен анализ закономерностей развития разрушения (трещин) при малоцикловом нагружении в широком диапазоне температур.
Одной из важнейших задач механики деформирования и разрушения является расчетное и экспериментальное исследование закономерностей развития трещин при однократном и циклическом нагружении. Решение этой задачи становится все более необходимой по мере повышения рабочих параметров (нагрузок и температур) машин и конструкций, в том числе военной техники.
Задача становится еще более актуальной в связи с тем, что значительная часть современной техники, отработавшая свой расчетный ресурс или он подходит к стадии своего исчерпания продолжает эксплуатироваться в поврежденном состоянии, т.е. с наличием трещин в несущих элементах конструкций. Описание предельных состояний (окончательное разрушение) на основе подходов линейной и нелинейной механики разрушения на основе уточненных расчетов с использованием новых критериев
и экспериментальных данных, полученных в условиях, приближенных к эксплуатационным, позволит предсказать живучесть поврежденных конструкций и определить их остаточный ресурс.
Распространение трещин в связи с условиями циклического нагружения. Известно, что условия распространения трещины определяются кинетикой напряженного и деформированного состояний в вершине трещины при заданных условиях нагружения. Напряженное и деформированное состояния в вершине трещины можно охарактеризовать коэффициентами интенсивности напряжений К1 и деформаций К1е. При этом скорость развития трещин можно описать либо через силовые (коэффициент интенсивности К:), либо через деформационные (критическое раскрытие трещины Ьс, размер пластической зоны гт, номинальная деформация еп, максимальная деформация в вершине трещины етах, коэффициент интенсивности деформаций К1е), либо через энергетические критерии (энергия образования единицы свободной поверхности у, энергия продвижения трещины на единицу длины О и /-интеграл).
Как правило, зависимость скорости развития трещины от коэффициента интенсивности напряжений описывается кривой, называемой кривой циклической трещи-ностойкости. Для каждого материала и заданного условия нагружения (растяжение— сжатие, переменное кручение, изгиб, частота нагружения, асимметрия цикла, температура, структурные изменения, сочетание видов нагружения и др.) существует своя кривая трещиностойкости.
При нагружении в условиях проявления температурно-временных эффектов (ползучесть, релаксация, структурные изменения и др.) параметры, входящие в соответствующие уравнения для описания скорости развития трещин, оказываются зависимыми от температуры, времени нагружения, структурного состояния материала и его изменений во времени, а в связи с этим и сопротивление конструкционных материалов развитию трещин становится сильно зависимым от формы цикла и частоты нагру-жения.
Скорость развития трещин при различных уровнях номинальных напряжений носит немонотонный характер с ростом числа циклов нагружения. Причем на начальной стадии нагружения при высоких уровнях нагрузки она носит затухающий характер, который сменяется резким возрастанием скорости роста трещины. Затухание скорости роста трещины в первый период нагружения связано в основном с одновременным попеременным развитием в начальный момент двух трещин в зонах с максимальным развитием пластических деформаций и их значительным разветвлением от напряжения, перпендикулярного направлению действия осевой нагрузки. Чем выше уровень нагрузки, тем больше предельная величина трещин, при которых рост одной из них прекращается и дальнейшее развитие разрушения происходит за счет роста единственной (второй) трещины. При малых уровнях нагрузки одновременный рост двух трещин протекал на небольшую величину (менее 0,1 мм), и в связи с этим на кривой скорости развития трещины отмечается ее стабильный рост уже на первом участке нагружения. Как правило, рост продолжает трещина со стороны активного захвата, а трещина со стороны неподвижного захвата на некоторой стадии нагружения прекращает свой рост и окончательное разрушение происходит от единой распространяющейся трещины. Заключительная стадия нестабильного роста трещины обычно сопровождается изменением характера разрушения: переход от разрушения отрывом к разрушению сколом.
Интенсивное развитие процессов ползучести, релаксации, а также структурных изменений определяет особенности инициирования и развития трещин при высокотемпературных статических и циклических испытаниях. В этих случаях временной фактор, а в связи с этим частота нагружения и форма цикла оказывают существенное влияние на сопротивление развитию трещин.
При статическом нагружении для случая вязкого разрушения наблюдается также подрастание трещины перед окончательным (лавинным) разрушением. При этом на-
чало развития трещины определяется напряженно-деформированным состоянием в ее вершине, характеризуемым коэффициентом интенсивности напряжений. Начало страгивания трещины можно определить также предельным раскрытием устья трещины (или перемещением ее берегов). Окончательное разрушение на стадии развития трещины при статическом нагружении также можно описать либо критическим раскрытием устья трещины 8С (V,), либо критическим коэффициентом интенсивности напряжений К (деформаций К1е), как и в случае комнатных и повышенных температур, когда еще не проявляются температурно-временные эффекты, с той лишь разницей, что и 8С (V,,) и Кг (К1е) при высоких температурах существенно зависят от скорости на-гружения.
При циклическом нагружении в качестве основных деформационных характеристик распространяющейся трещины являются: раскрытие трещины 8Г, перемещение берегов: упругое V, пластическое vp, упруго-пластическое в полуцикле и односторонне накопленное Аур. При этом 8Г, vp являются функцией номинальных напряжений и формы цикла.
Малым нагрузкам (большим долговечностям) соответствуют малые остаточные односторонне накапливаемые к моменту разрушения перемещения берегов трещины
Л^ = V(PP . При больших уровнях нагрузки (и малых долговечностях, при которых в
условиях однородного напряженного состояния имеет место квазистатическое разрушение) остаточное раскрытие трещины оказывается практически равным раскрытию
л (°)
при однократном разрушении Л^ = Vpp = V,.
Зависимость vp и Л^ от уровня номинальных напряжений вызывает перераспределение отдельных составляющих повреждений: при больших долговечностях основное повреждение протекает за счет упругого раскрытия и закрытия трещины. При малых долговечностях повреждение в основном определяется односторонним накоплением раскрытия и циклически обратимого остаточного раскрытия трещины.
Как следует из рис. 1—4, при высокотемпературном (650°С) малоцикловом и длительном статическом нагружении стали Х18Н10Т для описания скорости развития трещины во временном или поцикловом выражении в силу малости зон пластической деформации могут быть использованы методы и критерии линейной механики разрушения, и в частности, известный критерий Париса, а также критерий нелинейной механики разрушения [1], основанный на представлениях о коэффициенте интенсивности деформации.
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что в зависимости от формы цикла скорость развития трещин при малоцикловом нагружении для одного и того же значения коэффициента интенсивности напряжений (деформаций) может отличаться более чем на 2 порядка (рис. 2—4).
Таким образом, в условиях проявления температурно-временных эффектов (ползучести, релаксации и т.д.) существенное влияние оказывает длительность действия в цикле растягивающих напряжений. Повреждающее влияние сжимающих напряжений приблизительно на порядок меньше, чем растягивающих при их одинаковых абсолютных значениях. В связи с этим увеличением длительности выдержки в полуцикле сжатия скорости распространения трещин во временном выражении могут быть получены сколь угодно малыми, в то время как в поцикловом они могут мало отличаться от скоростей, полученных при моногармоническом нагружении для одних и тех же скоростей активного деформирования. Поэтому при сравнительном анализе выражени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.