Смешанного разрушения

Рассмотрим смешанное разрушение. Глубина губ среза на поверхности излома у кромки трещины может быть принята по формуле (3.38) равной гу. Плотность энергии разрушения деформации продольного сдвига в этой зоне будет GIIIC- В средней части образца, занимающей область t - 2ry, плотность энергии разрушения отрыва будет GIC. Энергия продвижения трещины на единицу длины : Get = Gmc 2ry + GIC (t - 2ry).

Из рисунка видно, какую долю сечения занимает пластическая зона при разных отношениях d/t: 1 - срез (Р = 1); 2 и 3 - смешанное разрушение (Р = 1/2 и 1/3); 4 и 5 - отрыв (Р = 1/4 и 1/8). в зарубежных стандартах на определение величины Кю имеется граничная толщина t = 2,5 K2ic/ ст2т, ниже которой Кю не определяется. Учитывая длину пластической зоны d = К2с/ло2т, получаем, что коэффициент Р = d/1 = К2с/ тс t а2т и при толщине t = 2,5 (Kc/oV)2 имеем р = 1/8. Это состояние (3.5) показано на рис.3.30. Следовательно, для корректного определения Кю толщина образца должна в восемь раз превышать диаметр пластической зоны.

В другом варианте отделение покрытия от основного металла по границе раздела произойдет лишь на отдельных участках, т. е. будет наблюдаться смешанное разрушение: по покрытию и по границе раздела (рис. 4.3, в).

а —«чистый» отрыв; б — прорыв покрытия; в — смешанное разрушение; г — внутреннее

а — расщепление проволоки при поперечном растяжении (90°); б — смешанное разрушение при растяжении под углом 45° к проволоке.

Аналогичные диаграммы были получены для образцов из однонаправленных и ортогонально армированных композитов. В работе [10] предполагалось, что возможны три различных механизма разрушения, охватывающие наблюдаемое поведение, а именно разрушение от сжатия, разрушение от растяжения и смешанное разрушение.

На рис. 59 показаны экспериментальные данные, полученные при испытании на термоусталость сплавов ЖС6К, ХН56ВМКЮ, ХН70ВМТЮ, ХН70ВМТЮФ. Условия испытаний были таковы, что функции фе, фг, фт изменялись в широких пределах, причем каждую из функций изменяли при сохранении двух других неизменными. Полученные разрушения имели различный характер — от усталостного до .статического. Точки располагаются во всех трех областях, показанных на рис. 58; на рис. 59 точки спроектированы на три координатные плоскости. Светлыми точками обозначено статическое разрушение, темными — разрушение усталостного характера, а точками 6 и 9 — смешанное разрушение.

Фрактографические исследования характера разрушения других сплавов в малоцикловой области, испытанных при пульсирующем нагружении с частотой 2 цикл/мин, также показали, что переломы на кривых малоцикловой усталости обусловлены изменением типа, или микромеханизма разрушения на структурном уровне. Так, для хромоникелевого сплава ЭИ437БУ статическое разрушение, как и квазистатическое, сопровождается межзеренным распространением трещины (см. рис. 3, г, д), а усталостное — внутризеренным (см. рис. 3,е). В зоне разрушения, которая образуется при доломе образца на последнем цикле после развития трещины до критической величины, наблюдается смешанное разрушение (см. рис. 3, ж). Аналогичное изменение характера макро- и микроразрушения при переходе от одних участков предельных кривых малоцикловой усталости к другим четко прослеживается и для других сплавов.

В связи с таким характером разрушения необходимо изучение трещиностойкости материалов (предназначенных для изготовления резьбовых соединений) при продольном и поперечном сдвигах. В работах [4—6] приведена подробная библиография работ, выполненных советскими и зарубежными исследователями по оценке трещиностойкости и методом испытаний в условиях продольного и поперечного сдвига. Вопросы расчета коэффициентов интенсивности напряжений применительно к крепежным изделиям энергетических установок рассмотрены в работе [7]. В зависимости от протекания процесса разрушения поле напряжений в вершине трещины определяется тремя коэффициентами интенсивности напряжений. Вид излома образца с трещиной является объективным критерием смены одного механизма разрушения другим. В работе [4] приведены возможные схемы разрушения образцов материала с наклонными боковыми трещинами в условиях хрупкого (обобщенный нормальный обрыв) и квазихрупкого (смешанное разрушение и продольный сдвиг) разрушений.

В предыдущих разделах в графической зависимости скорости. роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений и—Л~ были выделены три области (/, II, III). В этих областях наблюдается большое разнообразие морфологии разрушения в зависимости от состава сплава, факторов микроструктуры, среды и уровня напряжения. На рис. 83 делается попытка представить морфологию разрушения, определяемую воздействием среды на рост трещины относительно «обобщенного» графика зависимости v or К. В большинстве случаев рост трещины в области / определяется межкристаллитным разрушением (участок А) в области // — транскристаллитным сколом (участок С) и в суперкритической области HI [K>Kic] — слиянием микропор (участок ?).. Вследствие этого имеются переходные области: между I и II —-смешанное межкристаллитное и транскристаллитное разрушение (участок В); между // и /// — смешанное разрушение транскристаллитным сколом и ямочное разрушение (D). Имеется несколько исключений из этого общего описания разрушения, поэтому данные рис. 83 должны рассматриваться как сверхупрощенные» Эти исключения для различных сред рассматриваются ниже.

Разрушение металла в результате ползучести может происходить по телу зерна или по границам зерен: часто наблюдается смешанное разрушение. В одном и том же металле могут наблюдаться разные виды разрушения. При высоких температурах, малых напряжениях и малых скоростях деформации разрушение происходит по границам кристаллитов. Если рабочая температура для данной стали относительно-невелика, а напряжение и скорости деформации относительно велики, материал разрушается по телу кристаллитов. Смешанное разрушение ' происходит при промежуточных значениях перечисленных величин [47, 92, 105, 111].

Рис. 7.7. Карта (а) зависимости скорости роста усталостной трещины da/dN и механизмов внутризеренного (ВЗ), межзеренного (МЗ) разрушения или смешанного разрушения жаропрочных сплавов от частоты приложения нагрузки ау при постоянном уровне размаха деформации [21], а также аналогичная зависимость для сплава In 718 при разной асимметрии цикла и постоянном уровне Ктт [22]

Рис. 7.35. Три типа диаграмм усталостного разрушения сталей в агрессивной среде (а) при коррозионной усталости; (б) при реализации процесса коррозии под напряжением; (в) синергетическая ситуация смешанного разрушения при одновременном влиянии двух первых процессов [146]

В общем случае (В. С. Иванова и Л. А. Маслов) в изломе выделяют три основные зоны: I, — зона чисто усталостного разрушения, характеризующаяся наличием усталостных полос (макро- и микрополос, наблюдаемых в электронном микроскопе); Id — зона перехода или зона смешанного разрушения («ямочное» как результат локальных разрушений впереди трещины, хрупкие участки и усталостные полосы); и, наконец, 1Г — зона долома. Длина усталостного пятна /f=i/s-j-/d. Исчезновение зоны I, свидетельствует о том, что с увеличением напряжения происходит смена напряженного состояния, реализуемого в локальном объеме впереди трещины. Хрупкое разрушение в условиях плоской деформации сменяется на квазивязкое. Для оценки микрорельефа поверхности и профиля излома в институте металлургии им. А. А. Байкова разработано оригинальное телевизи-онно-аналоговое устройство.

В целях решения многомерной задачи (или со сложным видом смешанного разрушения) для композитов здесь мы предложим другую интерпретацию. Эта интерпретация основана на знании соответствующей прочности материала, содержащего случайно распределенные микроскопические трещины (т. е. трещины, которые на порядок меньше макроскопической), плотность которых типична для технологии изготовления материала. Знание прочности соответствует определению тензоров разрушения Ft, Fi;-, . . .

На рис, 1.3 представлена карта типов разрушения при ползучести. Карта построена по результатам металлографического анализа разрушенных образцов стали 12X1МФ. Нижняя область относится к области чистого порообразования. Сплошными линиями ограничена переходная область между чистым порообразованием и областью, где разрушение идет путем образования клиновидных трещин и вязкого разрушения. Переход из одной области в другую идет постепенно, с широкой промежуточной областью, где наблюдаются все виды разрушения. Скачкообразной смены типов разрушения не происходит. Температурно-силовые координаты нижней границы перехода от смешанного разрушения к области чистого порообразования удовлетвори-

Все перечисленные подходы рассматривают распространение трещин перпендикулярно направлению нагружения, которое совпадает с одной из осей симметрии материала. При невыполнении этих условий, а это характерно для большинства реальных ситуаций, возникают задачи разрушения смешанного вида. Типичным примером является растрескивание матрицы вдоль волокон в однонаправленном слое, исследованное в [35]. Возможные пути развития теории смешанного разрушения изотропных материалов рассмотрены в [36]. Метод, предложенный в [37], предполагает, что разрушение начинается в направлении <р0, когда удовлетворяются следующие условия:

В растворе цианистого водорода [HCN] разрушение углеродистых и малоуглеродистых сталей носит внутрикристаллический характер. Коррозионное растрескивание аустенитных сталей типа 18-8 может проходить по двум различным механизмам. Возможны случаи и смешанного разрушения. В отожженной стали 2103 [137] в жидком аммиаке и в хлоридной среде наблюдалось внутризеренное разрушение, а в закаленной — по границам зерен исходного аустенита и частично по мартенситным пластинам. В нитратных, карбонатных и щелочных растворах отжженные стали разрушались по границам зерен, закаленные •— по границам зерен исходного аустенита и частично по мартенситным пластинам.

При эксплуатации теплоэнергетических установок чаще всего наблюдаются случаи смешанного разрушения — межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание. Сущность этого процесса и условия, в которых он протекает, рассмотрены в III главе данной книги. В этой же главе остановимся лишь на некоторых примерах.

1 — область с признаками усталостного разрушения; 2 — с признаками смешанного разрушения; 3 — с признаками статического разрушения

ниже 14 кгс/мм2 имеются признаки смешанного разрушения, а при термической усталости — по телу зерна. Разрушение металла предварительно термоциклированных образцов вследствие ползучести при N = 0,1 Яр носит смешанный или межзеренный характер, а при N > 0,Шр ярко выраженный межзеренный характер.

При наличии в листовых металлах смешанного разрушения и при наличии губ среза критерием может служить не только В %, но также и размер губ среза. Примером является испытание по методу Роберт-сона. В этом методе образцы натуральной толщины имеют по ширине различную температуру (рис.6.10.12, а). Перед разрушением их растяги-