Однократного статического

Начальная зона изломов однократного разрушения образцов с надрезом или с заранее созданной усталостной трещиной (для определения /С1с, сту); [117, 121] имеет строение, отличное •от остальной поверхности излома. На ее поверхности часто наблюдаются волнообразный рельеф или вытянутые ямки,: напоминающие ямки при внецентренном растяжении. Наиболее четко волнообразный рельеф в переходной зоне выражен у алюминиевых сплавов (рис. 3). Эта зона образуется под действием касательных напряжений при расщеплении по плоскостям скольжения, подготовленным " предшествующей деформацией [134], а размер зоны соответствует области локальной деформации в вершине трещины, образующейся при нагруже-нии перед страгиванием трещины [119]. Размер зоны увеличивается с увеличением вязкости разрушения и хорошо коррелирует с величиной раскрытия трещины [89, 119]. В связи с последним наблюдением было бы правильнее называть эту зону зоной пластического прироста трещины. Размер этой зоны зависит от условий образования предварительной усталостной трещины: увеличение числа циклов с 1 400 до 463000 для образования трещины определенной длины в сплаве Д1 при определении Kic привело к уменьшению ширины зоны с 12 до 8 мкм,

Исследование фрактограмм однократного разрушения дает возможность определить его последовательность. В первую очередь возникают микронадрывы вокруг более резких структурных концентраторов, какими часто являются частицы избыточной фазы. По мере развития пластической деформации поры вокруг этих частиц растут, что приводит к образованию крупноямочного рельефа. Рост пор ослабляет материал и приводит к увеличению эффективных напряжений вокруг более мелких частиц в перемычке (шейке) между крупными ямками. Такими частицами могут быть выделяющиеся в процессе распада твердого раствора упрочняющие фазы. Внутренние перемычки-шейки разрушаются при этом с образованием более мелкодисперсного рельефа. Таким образом, размер первичных ямок зависит от свойств окружающего частицу материала, размеров и расположения более мелких частиц. Эти частицы определяют окончательный долом, а начало разрушения и время развития процесса разрушения в значительной степени определяются частицами избыточной фазы (или другими резкими структурными концентраторами).

В соответствии с преимущественно межзеренным характером распространения разрушения изломы длительного статического нагружения при высоких температурах имеют зернистое макростроение. В деформируемых сплавах, особенно с размером зерна десятые доли миллиметра и более, зернистость излома выражена очень четко (рис. 62). В литейных сплавах из-за сложных очертаний границ, повторения границами зерен дендритной структуры материала зернистость излома во многих случаях не проявляется и отличить межзеренное разрушение от внутризе-ренного по строению излома очень сложно (рис. 63). Внутризе-ренное разрушение, более типичное для однократного нагружения, приводит в большинстве случаев к образованию излома с заметными следами пластичности, т. е. наличию на изломе волокнистости. Волокнистость, как правило, отсутствует на меж-зеренных изломах длительного статического нагружения—-это и помогает их расшифровывать. Этот признак легче всего установить сравнением строения зоны длительного развития трещины и долома. Присутствие на изломе различных по строению зон {конечные скосы в данном случае не принимаются во внимание) указывает на малую вероятность однократного разрушения.

Вторая стадия — стадия ускоренного развития (ускорение заметно увеличивается) соответствует следующей зоне излома, в которой тонкие усталостные микрополоски превращаются в грубые (рис. 75, в). Это относительно широкие светлые полоски,, разделенные темными полосками и расположенные на более крупных плато. Ширина грубых усталостных полосок во второй зоне в алюминиевых сплавах достигает 3,5 мкм; в высокопрочных алюминиевых сплавах (типа В95) увеличение ширины .микрополосок происходит более интенсивно, чем в сплавах сред-непрочных (Д16Т,-АК4-1). Начало второй стадии часто совпадает с изменением ориентации поверхности разрушения. При увеличении электронного микроскопа в зоне излома, соответствующей второй стадии, .помимо усталостных линий выявляются отдельные разобщенные малые участки с ямочным рельефом. Зти отдельные очаги однократного разрушения возникают у крупных частиц избыточных фаз, неметаллических включений.

Пятая стадия — долом, имеющая в изломе обычное для однократного разрушения ямочное строение.

Роль структурных составляющих различна на разных стадиях развития трещины. Так, в стадии равномерно ускоренного разрушения (первая стадия) частицы избыточных фаз вызывают только локальные изменения фронта усталостной трещины или совсем не изменяют его, не влияя на скорость развития трещины. Вокруг таких частиц иногда образуются микролокальные очаги усталостных микротрещин. Напряжения на этих частицах, по-видимому, еще невелики, и очаги однократного разрушения вокруг них не возникают (рис. 83, а). Это наблюдалось нами, на алюминиемых сплавах различной прочности и пластичности. ПО

Определенную трудность при расшифровке изломов представляют литые материалы, поскольку на них в большинстве случаев отсутствуют или очень слабо выражены обычные макропризнаки усталости: складчатый рельеф и усталостные кольцевые линии. Характерным для усталостных изломов литых алюминиевых •сплавов является наличие •относительно гладкой поверхности без признаков волокнистого строения, характерного для однократного разрушения, а на участках, прилегающих к долому, слабо выраженные кольцевые усталостные линии. При относительно медленном развитии усталостного разрушения изломы литых сплавов имеют достаточно характерное строение, позволяющее классифицировать их уже при макроанализе (рис. 98). В данном случае характерным является складчатый рисунок поверхности и короткие усталостные линии.

Разрушение волокнистых композиций. Характер разрушения волокнистых композиций при растяжении зависит от объемного содержания волокон и матрицы, а также от соотношения их деформаций до разрушения. Купер ввел понятие множественного и однократного разрушения волокнистых композиций [118]. Для выяснения особенностей множественного и однократного разрушения обратимся к рис. 2. При малых деформациях е запишем правило аддитивности для напряжений:

и по соотношению площадей отрыва и среза или кристаллич. и волокнистых участков (см. Фрактография). Др. разделения на Р. т. проводятся по доле участия усталостного и однократного разрушения или усталостного и длительно-статического или механич. и коррозионного воздействия

Частота нагружения составляла 1—10 цикл/мин, база испытаний — от однократного разрушения до 104—105 циклов нагружения. Измеритель деформации устанавливался на цилиндрической рабочей части диаметром 10 мм, обеспечивая измерение деформаций на базе 50 мм. Образцы вырезались из листов толщиной 30— 40 мм поперек направления проката. Эта форма рабочей части образцов использовалась для исследования малоцикловых свойств основного материала и сварного соединения. Для исследования свойств различных зон металла шва в связи с их разнородностью использовались образцы корсетной формы. Минимальный диаметр корсетной части располагался в исследуемой зоне сварного шва, которая предварительно выявлялась травлением. В качестве таких зон были выбраны металл шва и металл зоны термического влияния. В последнем случае минимальное сечение располагалось на расстоянии 2—3 мм от границы сплавления в сторону основного металла. Для измерения деформаций на корсетных образцах использовался деформометр, обеспечивающий измерение поперечных деформаций в минимальном сечении. Пересчет поперечных деформаций в продольные осуществлялся по интерполяционным формулам, приведенным в работе [6].

Цикличность нагружения с соответствующими скоростями, температурами и длительностями при одновременном изменении механического поведения применяемых конструкционных металлов приводит к тому, что и размеры зон пластичности, и величины местных напряжений и деформаций в этих зонах становятся переменными в процессе нагружения, существенно усложняя расчетное и экспериментальное определение поцикловой кинетики напряженно-деформированных состояний и достижения соответствующих предельных состояний. Сами виды предельных состояний оказываются зависящими от конструктивных форм, материалов, условий эксплуатации, уровня дефектоскопического контроля. Основными видами предельных состояний для указанных выше машин и конструкций и условий нагружения являются образование однократных недопустимых деформаций (за счет упругопластических деформаций и деформаций ползучести), потеря устойчивости, образование однократного разрушения (вязкого или хрупкого), появление макротрещин циклического нагружения, возникновение разрушения вследствие циклического развития трещин, возникновение остаточных изменений формы вследствие повторных неупругих деформаций. Первые три вида предельных состояний в значительной степени базируются на анализе номинальной напряженности преимущественно от механических нагрузок в упругой и упругопластической области и получили достаточное отражение в исследованиях и расчетах несущей способности [2—4]; три последних вида предельных состояний предполагают изучение кинетики местных напряжений и деформаций в нелинейной циклической постановке. Систематические исследо-

Резким нарушением нормальных условий работы, а именно забросом температуры на 300—400°С выше регламентированной, повышением вибраций было вызвано образование смешанных по строению изломов, на которых без определенной последовательности располагались отдельные участки усталостного, длительного статического и однократного статического разрушения (рис. 128).

Для квазистатических разрушений односторонне накопленная деформация e равна предельной деформации однократного статического разрушения (располагаемая пластичность материала) &г и, следовательно,

В силу высокой скорости протекания процессов старения материалов в условиях повторного нагружения за пределами текучести изменение свойств статической прочности и пластичности проходит в основном за время, соответствующее длительности однократного-статического разрыва порядка 5—10 мин. При этом характеристики сопротивления циклическому разрушению оказываются коррелирующими, как и для нормальных температур, с соответствующими параметрами диаграммы статического разрушения состаренного материала.

Предложения [27, 28] распространяются на случаи однократного (статического) неизотермического нагружения и области температур, когда реологическими эффектами можно пренебречь.

Предложения [30, 35] распространяются на случаи однократного (статического) неизотермического нагружения и области температур, когда реологическими эффектами можно пренебречь.

Характеризуя наиболее существенные результаты в разработке и развитии методов механических испытаний, непосредственно связанных с последующей расчетной или экспериментальной оценкой прочности и ресурса конструкций, следует иметь в виду, что прочность и ресурс определяют по критериям следующих основных видов разрушения; однократного статического и динамического (хрупкого, квазихрупкого, вязкого); длительного статического; циклического (мало- и многоциклового); длительного циклического.

Если в экспериментах специально не определялись характеристики ат и т, то их можно установить [9] по соотношениям (7.11) и (7.12), предполагая, что уравнение (7.12) справедливо и до момента однократного статического разрушения (когда разрушающее напряжение равно сопротивлению разрыву в шейке 5fc, а истинная деформация ek) :

квазистатического типа, происходящими при достижении предельной деформации однократного статического растяжения. При температурах t = 120 н- 150° С наблюдаются разрушения смешанного типа, т. е. разрушения с трещиной в присутствии развитых пластических деформаций. На рис. 5.4 приведены кривые, иллюстрирующие поцикловую кинетику полей местных деформаций при t = 215° С и ап = 150 и 180 МПа, а на рис. 5.5 — кривые перераспределения деформаций в зоне концентрации (аа = = 2,5) при t =150°Си0„ = 180 МПа. На основе измерения дробных порядков муаровых полос определены не только местные, но и номинальные деформации. Из рис. 5.6 видно, что различие темпов роста по числу циклов максимальных местных и номинальных деформаций определяет кинетику увеличения коэффициентов концентрации деформаций.

Для ориентировки при выборе расчетной модели может оказать пользу диаграмма состояния материала в конструкции для однократного статического нагружения при данной температуре (рис. 3.9) [23]. На этой ц/ь диаграмме по оси абсцисс отложено отношение

Необходимые для расчета интенсивности деформаций данные об изменении линейных деформаций в осевом и окружном направлениях определяли в процессе испытаний. Третью компоненту деформации (в радиальном направлении) вычисляли на основании гипотезы о постоянстве объема. Особый интерес представляет задача определения предельной интенсивности деформации однократного статического разрушения е/г.

показывает (рис. 4.2), что условие (4.5) выполняется лишь при квазистатическом разрушении материалов, когда односторонне накопленная пластическая деформация циклического нагру-жения практически равна деформации однократного статического разрушения (кривые 1, 5, 6", 9 на рис. 4.2). При больших долго-вечностях (усталостный и смешанный типы разрушения) подсчитанная по зависимости (4.6) энергия превышает в несколько раз (кривые 2, 3, 4, 7 и 8 на рис. 4.2) энергию однократного разрушения, хотя это отличие приблизительно на порядок меньше,, чем при простом суммировании полных площадей петель гистерезиса.