Интенсивности напряжения

Другим фактором, который следует рассмотреть, является влияние интенсивности накопления дефектов на свойства керамических материалов. Этот фактор пока недостаточно изучен, но, по-видимому, эта характеристика не имеет особого значения, по крайней мере в применении к технике сегодняшнего дня.

Этот эффект можно использовать в случае прогнозирования долговечности конкретных конструктивных элементов при нестационарном режиме нагружения [18]. Из приведенных выше данных видноя что величина неупругой деформации за цикл Аен является характеристикой интенсивности накопления усталостного повреждения в конкретном металле при заданных условиях нагружения и может исполь-

Существенно также, что эффект «залечивания» при сочетании полуцикла сжатия и высокотемпературной части цикла нагрева [8] определяет, по-видимому, снижение интенсивности накопления повреждения, в связи с чем кривые 2 и 7, а также 3 и 4 на рис. 3, а и 4, а близки или совпадают, как это имеет место и для других материалов [1].

В качестве характеристик интенсивности накопления усталостного повреждения принимались в дальнейшем значения неупругой деформации и удельной рассеянной энергии, соответствующие горизонтальному участку на зависимостях Де — N, D — N, если он наблюдался, или их значения при числе циклов нагружения, равном 0,5NP.

В статье дан краткий анализ результатов исследования зарождения и развития усталостных трещин в металлах при многоцикловом нагружении, полученных в Институте проблем прочности АН УССР. Показано, что об интенсивности накопления усталостного повреждения на стадии зарождения усталостной трещины можно судить по величине неупругой циклической деформации. Приведены деформационные и энергетические критерии зарождения трещин; рассмотрены закономерности развития усталостных трещин и обоснована целесообразность использования в расчетах характеристик вязкости разрушения при циклическом нагружении.

При 150° С и v = 1,7"10~2 Гц интенсивности накопления усталостных и длительных статических повреждений сопоставимы, а при 190° С и v = 1,5-10~3 Гц циклические повреждения малы и длительные статические повреждения определяют предельное состояние по условию квазистатического разрушения. В обоих режимах сплав разупрочняется.

Знание кинетики деформаций материала с числом нагружений необходимо для1 определения интенсивности накопления усталостных и квазистатических повреждений и перехода к предельному состоянию и разрушению. При этом циклические свойства материала, а также условия нагружения определяют усталостный, квазистатический или переходный характер разрушения.

Рис. 4.13. Характер интенсивности накопления суммарного повреждения т] за цикл для сплава АД-33 (1), стали 22к (2), стали ТС (3)

В соответствии с ранее полученными результатами [152] в качестве характеристики интенсивности накопления усталостного повреждения в образце при заданном уровне напряжения принимались величины Ден, соответствующие точке М на зависимостях Ден (п).

Таким образом, если исходить из представления о микронеоднородности реальных материалов, предположение о реономностн всей неупругой деформации не связано с какими-либо несоответствиями или противоречиями по отношению к опытным данным. Различие между процессами кратковременного и длительного неупругого деформирования заключается, как было выяснено, в том, что при этом реализуются различные участки реологической функции. В принципе им могут отвечать различные физические механизмы деформирования и различные интенсивности накопления повреждений. На рис. 6.5 показаны зависимости предела прочности <7В = = 2G (Т) гв и предела ползучести а„ = 2G (Т) гп в зависимости от температуры (данные получены для стали 12Х18Н9, верхняя граница скорости деформации В — 10'3 с"1, указаны значения допуска 6„, с , принятого при определении оп). Как видно, при температурах, приближающихся к нормальной, значения ап и ав близки, хотя и не совпадают.

На практике [41, 72] для определения количества циклов на стадии стабильного развития трещины производят интегрирование уравнения (5.2). Использование только критической длины трещины, найденной через критический коэффициент интенсивности напряжения, в качестве верхнего предела интегрирования, без учета деформационного упрочнения и реальной геометрии трубы, некорректно. Прямое использование классических методов линейной механики разрушения для тонкостенных сосудов давления, изготовленных из высоковязких сталей, какими являются современные магистральные трубопроводы, приводит к результатам, не имеющим физического смысла. Так, в работе [76] рассчитанная критическая глубина трещины составляет около километра (толщина стенки большинства эксплуатирующихся трубопроводов не превышает 20 мм). Для нахождения верхнего предела интегрирования уравнения Пэриса используем силовой и деформационный критерии линейной и нелинейной механик разрушения [57, 93].

Из линейной механики разрушения известно, что между критическим коэффициентом интенсивности напряжения К1с и критическим раскрытием вершины трещины 5С существует зависимость

гдеК,с - критический коэффициент интенсивности напряжения, который на практике определяется прямыми испытаниями или с помощью пересчета значений ударной вязкости образцов Шарли по одному из известных эмпирических соотношений [33. 118, 135, 228], например

На стадии стабильного развития трещины коэффициент интенсивности напряжения рассчитывался с помощью соотношения [82,100]

где К - коэффициент интенсивности напряжения;

Коэффициент интенсивности напряжения рассчитывался в соответствии с общепринятой методикой. Подбор эмпирических коэффициентов уравнения Пэриса проводился путем анализа экспериментальных точек (около пятидесяти) на каждую кривую методом наименьших квадратов [94, 99]. При этом была обнаружена высокая степень корреляции (по параметру т) с результатами исследований, проведенных ранее в условиях защиты морских сооружений [134]. Было установлено, что в модельной среде замедлялся рост коррозионно-усталостных трещин по сравнению с их интенсивностью на воздухе, по-видимому, вследствие затупления трещины в результате электрохимического растворения металла в ее вершине с последующей его пассивацией. При наложении потенциалов, соответствующих регламентированным значениям катодной защиты, увеличивалась длительность периода до зарождения трещины. Найденные в результате математической обработки значения эмпирических коэффициентов уравнения Пэриса приведены в таблице 5.1 (значения потенциалов пересчитаны на стандартную водородную шкалу - НВЭ).

Математической интерпретацией критерия G является параметр ^ (называемый коэффициентом интенсивности напряжения), более удобный, чем G, для экспериментального определения и использования в расчетах на прочность:

Коэффициент интенсивности напряжения К при разрушении путем отрыва обозначают как К\ и определяют на массивных образцах (рис. 55) при ряде ограничительных условий.

Дадим определения введенных понятий. Предел трещиностоикости - непрерывная совокупность значений предельных коэффициентов интенсивности напряжения для всего диапазона длины трещин (включая нулевую), представленная в виде функции от обратной величины запаса прочности по пределу прочности.

Параметр Иршша К, определяют экспериментально. Чаще KL определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва — перпендикулярно плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе се от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К1С (МПа-м1/2] и называют его вязкостью разрушения при плоской деформации.

суммарная глубина надреза и толщина сечения образца были больше величины 2,5 (Kic/o"0,2)2. Значение Кц вычисляют при нагрузке PQ, отвечающей началу нестабильного развития трещины (рис. 42). При испытании строят диаграмму нагрузка (Р) — смещение (V) (смещение берегов трещины, т. е. расстояния между точками по обе стороны от трещины вследствие ее раскрытия); по диаграмме находят (рис. 42) нагрузку PQ, и по ней рассчитывают коэффициент интенсивности напряжения KQ = = PqY\iab / , где а и Ь — размеры образца (рис. 41), а Кх — безразмерная величина, учитывающая геометрию образца и отношение длины трещины с к ширине образца Ь. Коэффициент К, определяют по специальным таблицам.