Интенсивности напряженного

Для определения коэффициентов интенсивности напряжении с помощью /-интеграла следует вести интегрирование по поверхности цилиндра радиусом г и высотой и, где величины г и и должны быть малы (рис. 13.16). При этом не удается использовать свойство инвариантности /-интеграла. Если требуется оценка потоков энергии, некоторым образом усредненных по фронту тре-

§ 16. Метод сечении для приближенного расчета коэффициента интенсивности напряжении

Коэффициент интенсивности напряжении у ближайшего к свободной поверхности балки конца трещины будет

Здесь Л и га — эмпирические коэффициенты, &.К = Л"т„ — А'Ш„ — перепад (размах) коэффициента интенсивности напряжении л а один цикл иагруженпя, Л' — число циклов. Многочисленные экспериментальные исследования хороню подтверждают эту формулу, причем показатель степени п для разных материалов располагается в интервале от 2 до 7 (чаще всего п = 4). Чем больше показатель степени «, тем более хрупкое состояние материала наблюдается пои испытании.

Тогда коэффициент интенсивности напряжении, соответствующий безопасной нагрузке К6, определяется на (39.10):

a Ki(t), Ku(t) и Кщ(1) — динамические коэффициенты интенсивности напряжении, определяемые, как и в случае стационарной трещины, при помощи предельных соотношений (3.14)

23. liniiiiiuToi: П. Л. Сравнение двух численных метолои расчета иоэффнци-1мnv.ii интенсивности напряжении.— Проблемы прочности, 197/, Л: 9, с. SO—S2.

енты интенсивности напряжении в предыдущем и последующем циклах одноосного пульсирующего нагружения. Как следует из представленного соотношения (8.2), даже в случае переходного режима нагружения при одноосном циклическом растяжении соотношение между коэффициентами интенсивности напряжений без учета дополнительной поправки на эффект взаимодействия нагрузок будет некорректно характеризовать кинетику усталостных трещин. Эта поправка позволяет учесть влияние остаточных напряжений на рост трещин в пределах зоны пластической деформации.

Рис. 111. Влияние коэффициента интенсивности напряжении на скорость роста трещины при погружении в дистиллированную воду (температура 23 °С) высокопрочных алюминиевых сплавов (усредненные данные для плит и штамповок, ориентация трещины ВД):

Чувствительность материала, содержащего трещину, к воздействию данной среды при статическом нагружении определяется пороговым значением коэффициента интенсивности напряжении Kiscc . (индекс от англ. Streess corrosion cracking). При коэффициенте интенсивности напряжений выше порогового происходит роет трещины. При этом длительность времени роста трещины до момента ее неконтролируемого развития обычно очень мало. Нагружение в этот период времени всегда приводит к разрушению. При коэффициенте интенсивности напряжений меньше порогового К/^ рост трещины не наблюдается. Отношение Klscc /Kc для пластичных материалов обычно близко к единице.

На рис. 1.13 показаны коэффициенты интенсивности напряжении: пороговый Klscc и критический К[С и, соответственно, область докритического роста трещины в водяном паре и воде, определенные при статическом нагружении для высокопрочной хромистой инструментальной стапи Н-11 (5% Сг, от " 158 кг/мм2).

Существенное влияние на процесс разрушения поверхностных слоев оказывает эффект адсорбционного пластифицирования, т. е. облегчения пластических деформаций в результате действия поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера). Взаимодействие поверхностно-активных веществ слоя граничной ;смазки с поверхностным слоем металла может привести к понижению прочности и возникновению хрупкого разрушения при малой интенсивности напряженного состояния.

излома, а также изменение его величины в процессе распространения трещины зависит от вида и уровня интенсивности напряженного состояния материала перед вершиной трещины. Поэтому изменение напряженного состояния материала вызывает изменение параметров рельефа излома не только качественное, но и количественное — величина параметра становится большей или меньшей.

Переход к разрушению элементов авиационных конструкций на заключительной фазе развития усталостной трещины может быть осуществлен в широком диапазоне температурно-скорост-ных условий нагружения. Возможны разнообразные ситуации по интенсивности напряженного состояния материала в зоне страгивания трещины применительно к широкому классу конструкционных материалов на основе железа, титана, алюминия, магния и никеля. Поэтому в условиях эксплуатации могут быть достигнуты ситуации с минимально реализованной вязкостью разрушения вплоть до межзеренного проскальзывания или, напротив, может произойти высокопластичное разрушение, в котором сочетаются процессы внутризеренного скольжения и межзеренной ползучести. Вся совокупность реализуемых таким образом ситуаций в условиях эксплуатации должна рассматриваться с единых энергетических позиций с привлечением карт или диаграмм областей устойчивого поведения материала [40-42].

Исследования ориентировок фасеток скола для хрупкого разрушения [60] и в случае процесса порообразования при вязком разрушении [61, 62] показали, что зарождение трещины происходит на некотором расстоянии перед вершиной трещины, равном двойному ее раскрытию, где достигается максимум интенсивности напряженного состояния [63]. В случае вязкого разрушения имеет место процесс порообразования, который завершается соединением пор с вершиной трещины путем сдвига или отрыва.

Роль окружающей среды в протекании процесса пластической деформации у вершины трещины проявляется через концентрацию водорода, которая возрастает в непосредственной близости к этой вершине. Это наиболее близкая к реальной ситуации схема повреждения материала, которая используется для описания влияния агрессивной среды на ускорение процесса разрушения. В соответствии с соотношением (2.23) критическое раскрытие трещины уменьшается при увеличении интенсивности воздействия среды в момент перехода к нестабильному разрушению. Вместе с тем распространение усталостной трещины в коррозионной среде сопровождается ее ветвлением как по телу зерна, так и по границам зерен или иным структурным элементам [94]. Предельное состояние наступает одновременно по нескольким локальным вершинам трещины в каждом сечении вдоль всего ее фронта. В этой ситуации предельное состояние достигается при существенно иной интенсивности напряженного состояния материала, чем без ветвления мезотрещин вдоль макровершины трещины.

С момента возникновения усталостной трещины в металле, когда ее зарождение произошло при достижении порогового коэффициента интенсивности напряжения К^, процесс формирования свободной поверхности определяется процессом ме-зотуннелирования, для которого характерно чередование интенсивности затрат энергии между областями, формирующими мезотуннели, и областями, формирующими поверхности разрушения между ними. При низком уровне интенсивности напряженного состояния расстояние между мезо-туннелями велико, что приводит к возможному появлению эффекта движения трещины путем разрушения материала при одновременном сдвиге и нормальном раскрытии. Фронт трещины раздроблен. Доминирующим механизмом разрушения является скольжение при небольшом участии ротационных мод деформации и разрушения, которые обеспечивают при реализованном сдвиге завершение процесса "отсоединения" поверхностей, по которым произошло скольжение.

По мере увеличения длины трещины и интенсивности напряженного состояния в связи с возрастанием коэффициента интенсивности напряжения происходит уменьшение числа мезотуннелей и упорядоченное чередование процессов разрушения материала в мезотуннелях и перемычках между ними. Фактически рассматриваемая ситуация отвечает каскаду событий, образующих хорошо известное дерево Келли (рис. 3.36). Это еще одно свидетельство того, что распространение усталостных трещин имеет все признаки последовательности самоорганизующихся процессов разрушения, которые присущи эволюции открытых систем, находящихся вдали от положения равновесия.

Итак, с момента возникновения усталостной трещины в металле при достижении порогового коэффициента интенсивности напряжения (КИН) Kth формирование свободной поверхности при подрастании трещины определяется процессом мезотуннелирования, для которого характерно чередование интенсивности затрат энергии между областями, формирующими туннели, и областями, являющимися перемычками между ними. При низком уровне интенсивности напряженного состояния расстояние между мезотуннелями велико, что приводит к эффекту движения трещины в каждом туннеле путем разрушения материала при нормальном раскрытии трещины в направлении перпендикулярном магистральному направлению роста трещины. Фронт трещины раздроблен, доминирующим механизмом разрушения является скольжение при небольшом участии ротационных мод деформации и разрушения, обеспечивающих завершение процесса "отсоединения" областей металла по поверхностям реализованного сдвига.

Введенное представление подразумевает использование максимальной величины КИН Кг в цикле нагружения (/Стах) в описании роста трещин. Но в расчетах не учитывается тот факт, что в направлении развития трещины макроскопически плоский излом, формируемый в срединных слоях образца, уменьшается по ширине за счет эффекта макротуннелирования трещины и у поверхности образца нарастает ширина зоны разрушения в виде скосов от пластической деформации [1-3]. Они формируются при доминировании роли поперечного сдвига Кщ, возникающего при перемещении берегов трещины в условиях скручивания. В момент перехода к этапу разрушения при существенном возрастании и доминировании скосов от пластической деформации следует учитывать влияние поперечного сдвига. Его роль такова, что истинная величина интенсивности напряженного состояния при сочетании сдвига и отрыва меньше, чем в случае только отрыва [4, 5]. Поэтому для кинетической кривой по скорости роста трещины относительно только координаты KI имеет место

Вместе с тем выполненные в последующем измерения высоты и шага усталостных бороздок в туннельном микроскопе показали, что соотношение между высотой и шагом (шириной) усталостной бороздки не зависит от асимметрии цикла нагружения [24]. Из этого следует, что формирование усталостных бороздок отвечает единому механизму разрушения материала в определенном диапазоне интенсивности напряженного состояния материала независимо от способа реализованного внешнего циклического воздействия. Несоответствие результатов исследований двух указанных работ [23] и [24] должно быть отнесено за счет методических особенностей приготовления шлифов для определения профиля усталостных бороздок в работе [23].

У другого вала винта произошло отделение в полете фланцевой части из-за разрушения вала (рис. 13.33). В пределах сохранившейся части зоны разрушения имело место образование четырех участков самостоятельного развития разрушения, слияние которых и привело к окончательному разрушению вала. Одна трещина "1" зародилась от галтели и имела многоочаговый характер. Две другие трещины ("2" и "3" на рис. 13.33) зародились в отсутствующем шлицевом фланце вала и в рассматриваемую часть излома вышли в процессе своего развития. Поэтому очаги этих трещин отсутствуют на рассматриваемой части излома. Эти трещины развивались по окружности против направления вращения вала и подавляющая доля излома (более 90 %) образована ими. В изломе одной из указанных двух трещин выявлено две макролинии усталостного разрушения, что отвечает всего двум полетам самолета. В изломе другой трещины выявлено несколько макролиний, отвечающих шести полетам самолета. При окончательном слиянии трещин при резком возрастании интенсивности напряженного состояния вала в вершине трещин происходило формирование не менее 25 зон

грузки могут возникать напряжения, превышающие напряжения в падающей волне в 2.23 раза для включений сильвина, в 2.05 раза для кальцита, в 1.83 для граната. Необходимо отметить, что уменьшение времени воздействия нагрузки приводит к уменьшению ДКН и соответственно уменьшению интенсивности напряженного состояния вблизи неоднородности. То есть регулируя время и интенсивность нагружения композита, можно в определенных пределах регулировать величину и время напряженного состояния вблизи неоднородности и соответственно степень разрушения матрицы.