Квазистатических повреждений

Основное условие получения достоверных результатов в квазистатических испытаниях — поддержание с заданной точностью однородности напряженного и деформационного состояния материала в объеме рабочей части образца. Это позволяет принимать регистрируемые зависимости между напряжением и деформацией за характеристики поведения локального объема материала. Таким методом определены характеристики сопротивления материалов деформированию в большинстве проведенных до настоящего времени исследований, в основном при испытаниях на растяжение или сжатие со скоростями до 10 м/с [69, 167, 208, 210, 305, 406, 409]. Область более высоких скоростей деформирования, особенно при испытаниях на растяжение, обеспечивающих получение наиболее полной информации о поведении материала под нагрузкой, практически не исследована. Такое ограничение исследований обусловлено тем, что с ростом скорости деформации возрастает влияние волновых процессов и радиальной инерции в образце и цепи нагружения, ведущих к нарушению однородности деформации и одноосности напряженного состояния в объеме рабочей части образца и затрудняющих приведение усилий и деформаций в материале. Уменьшение влияния этих эффектов требует разработки специальных методик для испытаний с высокими скоростями деформации.

и используется для расчета процесса распространения упруго-пластических волн нагрузки [148, 165, 249]. Отличие режимов нагружения материала в волне и при квазистатических испытаниях, по результатам которых строится зависимость (1.8), тре-буен осторожности при ее использовании для расчетов без соот-

При постоянной скорости нагружения (деформации) с задержкой текучести связывается появление характерных особенностей на кривой деформирования сг(е) — площадки текучести (зуба текучести) [28, 332, 338]. Эффекты задержки текучести проявляются и при распространении по материалу волн нагрузки [44, 138, 274, 275], деформация материала в которых меняется во времени по сложному закону, не соответствующему закону, использованному в указанных выше квазистатических испытаниях. :!

4. Эффекты радиальной инерции в образце при квазистатических испытаниях на растяжение (сжатие)

При интерпретации экспериментальных данных, полученных при квазистатических испытаниях, пренебрегают влиянием .на регистрируемую кривую деформирования эффектов радиальной инерции. Рассмотрим правомерность такого пренебрежения, поскольку в литературе высказывается предположение о возможности появления при квазистатических испытаниях зависимости сопротивления от скорости деформации в результате влияния эффектов радиальной инерции [318].

Имеется ряд работ, посвященных исследованию эффектов радиальной инерции при распространении упругих и упруго-пластических волн в стержнях [91, 347, 422], однако влияние этих эффектов при квазистатических испытаниях образцов не изучалось. Оценим влияние радиальной инерции на регистрируемую кривую деформирования материала, предполагая распределение напряжений и деформаций по длине образца равномерным. В связи с тем что точное распределение напряжений по объему рабочей части образца может быть получено только численными методами, ограничимся анализом частных случаев нагружения и конфигурации образца, позволяющих сделать заключение о качественном влиянии инерционных эффектов для образца произвольной формы.

Равномерное распределение напряжений и деформаций по длине рабочей части образца, необходимое для корректного сопоставления напряжений и деформаций при квазистатических испытаниях, не выдерживается точно даже при медленном деформировании [61, 294]. Локализация деформации, связанная с распространением пластической деформации и образованием шейки, ведет к сильному повышению скоростей деформации в областях локализации. Стабильность и однородность деформации по длине образца при статических испытаниях связывается с положительным модулем М=да/д& кривой деформирования ог(е) (а — условное напряжение, отнесенное к начальной площади поперечного сечения образца). Высокоскоростная деформация связана с волновым характером нагружения материала образца, и равномерность деформации в течение всего процесса растяжения обеспечивается при условии, что пластическая деформация в какой-либо точке образца начинается после установления равномерности напряжений по его длине в результате наложения прямой и отраженной от второго конца упругих волн с линейным нарастанием напряжений на фронте.

Неискаженная регистрация усилия в образце является одним из наиболее важных требований при квазистатических испытаниях, выполнение которого встречает серьезные трудности, связанные с необходимостью учета волновых явлений в упругом

Неравномерность деформирования по длине образца ведет к тому, что регистрируемое усилие (предполагаем, что усилие регистрируется без искажения) характеризует не поведение определенного объема материала под нагрузкой (в соответствии с основным условием получения корректных результатов при квазистатических испытаниях), а сопротивление деформированию конкретного образца как конструктивного элемента. Полученная при испытании информация должна быть проанализирована с учетом влияния относительной длины образца.

Существенные затруднения, возникающие при исследованиях с высокими скоростями деформации и обусловленные необходимостью сохранения равномерного деформирования по длине рабочей'части образца и одноосности его напряженного состояния как основных условий получения достоверной информации в квазистатических испытаниях, являются основной причиной недостаточного объема имеющихся экспериментальных данных о высокоскоростном деформировании материалов. Ограничения длины и диаметра образца, необходимые для обеспечения равномерности его деформирования, определяются условиями (2.8) и (2.9). Невыполнение этих условий при высоких скоростях деформирования снижает достоверность экспериментальных результатов и может привести к количественному и качественному искажению зависимости характеристик прочности и пластичности от скорости деформации. Несоблюдение ограничений на предельные размеры рабочей части образца (из конструктивных соображений) ограничивает результаты высокоскоростных испытаний получением только качественной информации о влиянии скорости деформирования на механические характеристики материала, тем более что нагрузка регистрируется по деформации динамометра в упругой волне с искажением, вызванным дисперсией волны при ее распространении.

Распространение интенсивных упруго-пластических волн, возбуждаемых импульсными нагрузками, характеризуется высокоскоростной деформацией материала в них, что позволяет изучать поведение материала при скоростях, не достижимых в квазистатических испытаниях. Вследствие зависимости сопротивления материала деформации от истории предшествующего нагружения сопоставление данных, полученных при исследовании волновых процессов, закон деформирования в которых определяется самой кинетикой деформации в волне, с результатами квазистатических испытаний с определенным параметром испытания невозможен без принятия определенной модели механического поведения материала.

4. Эффекты радикальной инерции в образце при квазистатических испытаниях на растяжение (сжатие).........81

Принятые в испытаниях типы режимов нагружения охватывают контрастные случаи сочетания процессов накопления квазистатических и усталостных повреждений. Воспроизводились условия накопления в основном только усталостных или квазистатических повреждений и режимы, дающие возможность дозировать долю компонент накопленных повреждений, обеспечивающие либо сильное «перемешивание» блоков нагружения, либо весьма слабое, например, однократный переход с режима на режим. Достигнутая гибкость регулировки режимов программного нагружения позволила проверить закономерности накопления повреждений в жестких условиях резкой смены процессов.

Деформационная трактовка разрушения материалов при длительном циклическом нагружении используется и в работах [47, 48, 61]. Трактовка выполняется в форме, пригодной для оценки и усталостных, и квазистатических повреждений. Предлагается раздельно учитывать повреждения от накопления односторонних пластических и знакопеременных деформаций, а также односторонних и .знакопеременных деформаций ползучести. Предполагается взаимное влияние на предельную деформационную способность материала усталостных и квазистатических повреждений указанного типа. Трактовка нуждается в уточнении способов определения компонент повреждений и достаточном экспериментальном .обосновании.

Сочетание приведенных выше свойств и особенностей деформирования при термоусталостных испытаниях сплава ЭП-693ВД обусловливает появление трещин циклического разрушения в зонах «шейки», что говорит о выраженном влиянии процесса накопления односторонних деформаций и, следовательно, квазистатических повреждений на достижение предельного состояния по условию циклического разрушения. Однако при испытаниях на больших уровнях долговечности с жесткостью нагружения с <" 95 тс/см, когда эффект накопления односторонних деформаций практически отсутствует (см. рис. 1.3.6), можно ожидать возникновения термоусталостной трещины в зоне перехода от рабочей длины к конической части образца, где температура цикла соответствует минимальной пластичности и, следовательно, долговечности материала.

Трактовка условий достижения предельного состояния по разрушению в форме деформационно-кинетического критерия предполагает интерпретацию экспериментальных данных в виде зависимости суммарного повреждения от числа циклов до появления трещины. При этом для условий термоусталостных испытаний, которые, как было подчеркнуто, являются в общем случае нестационарными и сопровождаются накоплением не только усталостных, но и квазистатических повреждений, выражение результатов в широко используемой в настоящее время форме, когда производится построение зависимости циклической деформации (суммарной или необратимой) от долговечности, является недостаточно корректным. На рис. 1.3.7 представлены данные термоусталостных испытаний. Видно, что при использовании деформаций, получаемых в первом цикле нагружения, и деформаций, соответствующих 50%-ной долговечности образца, наблюдается кажущееся снижение сопротивления термоусталостному нагружению в два-три раза по сравнению с кривой усталости материала. Указанное является следствием неучета влияния в термоусталостных испытаниях квазистатических повреждений, роль которых возрастает по мере снижения долговечности образцов.

Базовая информация, необходимая для оценки усталостных и квазистатических повреждений при термической усталости, может быть получена при испытаниях на длительный статический разрыв и малоцикловую усталость (жесткое нагружение) соответствующей скорости деформирования и частоты в условиях заданного термического цикла.

Другим базовым экспериментом является жесткое циклическое нагружение. В этих испытаниях поддерживаются постоянными от цикла к циклу максимальные деформации, т. е. накопление односторонних деформаций и, следовательно, квазистатических повреждений исключено. Разрушение в этих условиях происходит в результате накопления усталостных повреждений. На рис. 1.4.1, а приведена кривая усталости материала, по которой в соответствии с уравнением (1.1.12) может быть вычислена для любого регулярного и нерегулярного режимов нагружения величина усталостного повреждения.

долговечности образцов при различных видах нагруже-ния (мягкое, жесткое и т. д.) и предопределяет особенности накопления усталостных и квазистатических повреждений в зависимости от режима испытаний. При этом для расчета долговечности необходимо определять по-цикловую историю изменения деформаций и оценивать компоненты повреждения.

Для расчета накопленного повреждения D по результатам двухступенчатого блочного нагружения с использованием зависимости (1.1.12) необходима прежде всего запись поциклового изменения деформаций на каждом уровне блока нагружения вплоть до достижения образцом предельного состояния по моменту образования макротрещины. Дальнейшая обработка каждой из двух полученных таким образом кривых изменения деформаций в процессе испытания для каждого образца (по числу уровней в блоке) осуществляется по методике, изложенной выше для случая мягкого стационарного нагружения. Суммарное накопленное повреждение, таким образом, учитывает вклад каждой ступени блока нагружения и в соответствии с зависимостью (1.1.12) определяется с учетом усталостных и квазистатических повреждений.

Для случайного нагружения в режиме слежения за деформациями накопление односторонних деформаций квазистатических повреждений практически

зсопление значительных по величине односторонних деформаций л, следовательно, квазистатических повреждений, что требует ларяду с данными о распределении амплитуд циклических деформаций за характерный период нагружения получения сведений о накоплении односторонних деформаций за весь период нагруже-лия до появления трещины. В табл. 1.4.3 приведены основные па-рамеры рассмотренных случайных процессов нагружения и результаты оценки для этих процессов величины D по зависимости .(1.1.12).

Оценка долговечности при мягком нагружении выполняется с учетом усталостных и квазистатических повреждений и графически представляется зависимостью накопленного повреждений от числа циклов нагружения (рис. 5.3.4, а), либо характеризуется компонентами усталостного и квазистатического повреждений (рис. 5.3.4, б).