Применимость критериев

Возникает вопрос, действительно ли критерии обоснованности испытаний по определению KIc имеют на практике столь важное значение. В этом вопросе до сих пор много путаницы. Величина KIc, определенная в условиях строгого выполнения этих критериев, есть (в определенных пределах) константа материала. Если критерии применяются произвольно, то согласованных значений этой константы не получается. Если материалы необходимо охарактеризовать их вязкостью (как они характеризуются прочностью на растяжение и пределом текучести), то при этом могут быть использованы только обоснованные данные по определению KIc. Материалы, обладающие определенной вязкостью, должны быть снабжены паспортом с проставленным в нем обоснованным значением величины KIc. Классификация материалов в соответствии с их вязкостью разрушения, вообще говоря, должна быть основана на обоснованных данных.

Если критерии обоснованности не выполняются, то измеренное значение вязкости KQ не является константой материала. Величина KIc, зависит от геометрии образца (см. гл. VIII). Когда размер образца слишком мал (или трещина слишком мала), измерение величины KQ приносит мало пользы. К этому заключению можно прийти, рассматривая рис. 7.6. При слишком малой толщине образца B значение KQ может быть все-таки весьма полезным: это значение является мерой вязкости пластины данной толщины.

Поскольку на практике деформация элементов конструкций не является плоской из-за недостаточной толщины этих элементов, их сопротивление росту трещин не определяется коэффициентом KIc. В таких случаях действительная вязкость обычно больше, чем KIc; это означает, что использование коэффициента KIc приводит к заниженным оценкам допустимой длины трещины и остаточной прочности такой конструкции. Эти оценки могут быть гораздо более заниженными, особенно в тех случаях, когда интенсивность напряжений, при которой происходит разрушение, значительно выше, чем при хлопке (см. гл. VIII). Хотя обоснованные значения коэффициента KIc, несомненно, очень полезны, следует иметь в виду, что для каждого приложения следует использовать то значение вязкости, которое соответствует данной геометрии и толщине (см. [8]), и не следует строго придерживаться обоснованного значения KIc, если оно мало подходит для данного случая.

В элементах конструкций, толщина которых такова, что в них преимущественно устанавливается плоская деформация, часто образуются трещины, имеющие форму полуэллипса. Как показано в гл. III, интенсивность напряжений вдоль фронта такой трещины меняется. Интенсивность напряжений максимальна на конце малой оси (которая обычно является наиболее глубокой точкой поверхностной выемки). Если а и с — полуоси эллипса, то

(7.7)

где — интенсивность напряжений на конце главной оси. Обычно предполагается, что разрушение происходит, когда Однако в этот момент это означает, что на конце главной оси трещина распространяться не может. На самом деле разрушение произойдет при т. е. действительное поведение материала при разрушении зависит от формы выемки и еще больше — от анизотропных свойств материала. Этот вопрос рассмотрен в гл. XI.

Величина KIc для структурных материалов может принимать различные значения, поскольку вязкость разрушения зависит от направления распространения трещины (анизотропия), термообработки (предел текучести), температуры и многих других параметров (вопрос о влиянии этих переменных на величину вязкости рассмотрен в гл. XI). Поэтому при использовании значений KIc следует указывать условия, в которых находился материал, и обстоятельства, при которых были получены эти данные. В табл. 7.1 приведены некоторые данные вязкости разрушения ряда сплавов, что позволяет оценить величину коэффициента KIc для некоторых строительных материалов.

Значения вязкости разрушения для плоской деформации высокопрочных материалов лежат в пределах от 50 до 350 кгс/мм3/2 (15 – 100 ). В табл. 7.1 указаны требуемые толщины образцов. В зависимости от предела текучести материала требуемая толщина, как правило, имеет порядок от 2 до 20 мм. Для практических целей образцы с толщиной, меньшей 10 мм, используются редко. Материалы с низким пределом текучести имеют ударную вязкость при плоской деформации порядка 500 кгс/мм3/2 или более, однако такие значения вязкости точно измерить нельзя. Высокая вязкость при низком пределе текучести приводит к чрезвычайно высоким значениям (KIcуs)2, так что требуемая для стандартного испытания толщина может достигать величины порядка 1 м и более. Совершенно очевидно, что на практике испытания на определение KIc материалов такой высокой вязкости неосуществимы. Характеристика материала с точки зрения его сопротивления росту трещин должна быть основана на различных механических концепциях разрушения типа РТ (см. гл. IX) или, где это возможно, J – интеграла (гл. VI).

Проведение испытаний на определение величины KIc для этих материалов непрактично и, более того, бесполезно. Материалы вряд ли будут использоваться даже при толщинах порядка 1 м. Здесь видно одно из ограничений ЛУМР (линейной упругой механики разрушения), применимых только к материалам, для которых отношение модуля упругости к пределу текучести при комнатной температуре меньше (в грубом приближении), чем 200–250. При низких температурах металлы могут проявлять существенно больше хрупких свойств (например, хрупкое разрушение в сталях). Таким образом, ЛУМР для температуры вязкохрупкого перехода или ниже применима даже к низкопрочным сталям (см. гл. XI).

 

Таблица 7.1 Типичные значения КIc при комнатной температуре

Материал Условия σys KIc Необходимая минимальная толщина B
кгс/мм2 кси кгс/мм3/2 мм Дюйм
Стали
легированные
300 900°F, 3 ч 200 285 182 52 2,1 0,09
300 850°F, 3 ч 170 242 300 85 7,8 0,31
250 900°F, 3 ч 181 259 238 68 4,3 0,18
Сталь Д6АС Термообработка 152 217 210 60 4,8 0,20
Термообработка 150 214 311 89 10,7 0,44
Поковка 150 214 178–280 51–80
Сталь 4340 Упрочнение 185 265 150 43 1,7 0,07
А 533 В Реакторная сталь 35 50 630 180 810,0 33,00
Углеродистая сталь Низкопрочная 24 35 >700 >200 2150,0 82,00
Титановые сплавы:
6Al–4V (α+β) STA 112 160 122 35 3,0 0,12
13V–11Cr–3Al STA 115 164 89 25 1,5 0,07
6Al–2Sn–4Zr–6Mo (α+β) STA 120 171 85 24 1,3 0,05
6Al–6V–2Sn (α+β) STA 110 157 120 34 3,0 0,12
4Al–4Mo–2Sn–0,5Si (α+β) STA 96 137 224 64 13,6 0,55
Алюминиевые сплавы:
7075 T651 55 79 94 27 7,3 0,30
7079 T651 47 68 105 30 12,5 0,49
DTD5024 Поковка:
в продольном направлении 50 72 126 36 15,9 0,65
в коротком поперечном направлении 49 70 53 15 3,0 0,12
2014 T4 46 65 90 26 9,6 0,40
2024 T3 40 57 110 31 19,0 0,75
Оргстекло 5,3 1,5





 Предыдущая  § 7.4. Применимость критериев
 
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line
Яндекс цитирования
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line