CC BY
1353
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОВ
Л. Р. Бирдегулов*, А. М. Щипачев
Уфимский государственный нефтяной технический университет Россия, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1 * email: [email protected]
В данной работе рассмотрены проблемы, возникающие в процессе определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при плоской деформации Kc, в соответствии с ГОСТ 25.506-85. Предложен метод определения вязкости разрушения с использованием небольших образцов с шевронным надрезом. Приведено описание экспериментального апробирования методики, а также произведен сравнительный анализ характеристик трещиностойкости, полученных по стандартной методике и на образцах с шевронным надрезом.
Ключевые слова: трещиностойкость, коэффициент интенсивности напряжений, трещина, вязкость разрушения, деформация, шевронный надрез.
RESEARCH OF CRACK RESISTANCE METALS L. R. Birdegulov*, A. M. Shipachev
Ufa State Petroleum Technological University 1 Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia * email: [email protected]
This article discusses the problems arising in the process of determining the characteristics of crack resistance (toughness) of plane-strain Kc, in accordance with GOST 25.506-85. A method is proposed for determining fracture toughness with using small samples with chevron notch. The paper describes the experimental testing method and comparative analysis of crack resistance characteristics, obtained by the standard method and in samples with chevron notch.
Keywords: crack resistance, stress intensity factor, crack, fracture toughness, strain, chevron notch.
Хрупкое разрушение металлов имеет широкое распространение. Иногда конструкции, спроектированные по критериям предельного пластического разрушения, испытывают катастрофическое хрупкое разрушение [1]. Один и тот же металл в определенных условиях эксплуатации может разрушаться пластично, в других условиях - хрупко. Общей чертой хрупкого разрушения (ему подвержены сварные корпуса судов, сварные конструкции мостов, трубы газопроводов и сосуды высокого давления) является наличие исходных трещин, что часто происходит из-за низкого качества сварки. Хрупкое разрушение вызывается ростом трещин, которые внезапно становятся неустойчивыми и распространяются со скоростью звука в материале. В связи с этим оно наиболее опасно, непредсказуемо и требует серьезного изучения.
Опыт эксплуатации реальных изделий и анализ аварий показывают, что расчет деталей на прочность не обеспечивает необходимую надежность работы конструкции, имеющих дефекты типа трещин. Трещины в металле могут иметь технологическое происхождение или зарождаться и расти в процессе эксплуатации. Поэтому в практику оценки свойств конструкционных материалов необходимо внедрение методов, предсказывающих связь между разрушающими напряжениями и размерами дефектов.
Сопротивление нестабильному распространению трещины или трещиностойкость металлов при статическом на-гружении оценивают по одному или нескольким критериям разрушения:
а) силовому - критическому коэффициенту интенсивности напряжений К1с;
б) деформационному - критическому раскрытию в вершине трещины 5с;
в) энергетическому - критическому значению J-интеграла Jlс,(работы пластической деформации и разрушения) [2].
Энергетические критерии при прогнозировании разруше-
ния металла при усталостном нагружении рассматривались А.М. Щипачевым [3, 4]. Известно, что усталостная трещина растет, совершая микроскачки при каждом цикле нагружения. Как было показано [5], величина микроскачка связана с накоплением в микрообъеме материала критической плотности скрытой энергии, которая коррелирует с твердостью металла [6, 7]. Авторами [8] было показано, что по мере циклической наработки происходит трансформация статистических распределений физических характеристик материала в степенное, что является характерным для катастрофического состояния.
Наиболее часто используемым критерием является силовой критерий. Экспериментальное определение величины критического коэффициента интенсивности напряжений К1с позволяет установить величину критического напряжения, при котором трещина, имеющая определенную длину, становится нестабильной и начинает быстро расти. То есть, зная величину К|с и длину трещины, можно судить о прочности конструкции.
Методы экспериментального определения характеристик трещиностойкости в настоящее время достаточно разработаны и регламентированы соответствующими нормативными техническими документами (НТД) для различных видов нагружения [2, 9, 10].
При экспериментальном определении характеристик трещиностойкости возникают следующие задачи [11]:
- выбор наиболее рациональной формы, размера образцов и схемы нагружения;
- создание искусственной усталостной трещины;
- регистрация длины усталостной трещины и нагрузок в процессе испытания;
- проведение испытаний на вязкость разрушения с записью диаграммы разрушения;
- достоверное определение значений расчетных параме-
тров и расчет характеристик трещиностоикости.
В зависимости от используемого материала и соображении экономического характера эти задачи могут быть решены по-разному. Нет такого универсального метода, который наилучшим образом мог бы решить все эти задачи в совокупности.
В ГОСТ 25.506-85 [2], который устанавливает методы механических испытаний для определения характеристик тре-щиностойкости (вязкости разрушения) металлов при статическом нагружении, рекомендуется испытания по определению критических значений коэффициентов интенсивности напряжений в условиях плоской деформации К|с. Для выполнения условий плоской деформации необходимо, чтобы размер пластической зоны на фронте трещины был не более 1/50 любого характерного размера образца, что может быть достигнуто выполнением следующего неравенства [2, 10]:
t:(B-l);l>p
hi. °oJ
(1)
где t - толщина образца, м; В - ширина образца, м; I - длина усталостной трещины, м; ао2 - условный предел текучести материала, Па; в - безразмерный коэффициент, учитывающий стеснение пластических деформаций; в = 2.5 для алюминиевых, титановых, магниевых сплавов и сталей; в = 0.6 для чугунов.
На рисунке 1 представлена зависимость коэффициента интенсивности напряжений К|с от толщины В.
и модулей упрочнения расчет по К|с приводит к завышенным оценкам разрушающих напряжений.
Таким образом, стандартный метод испытаний не всегда применим на практике, так как некоторые технические объекты, к примеру, магистральные трубопроводы имеют меньшие толщины. В связи с этим, актуальной задачей является разработка метода определения характеристик трещиностойкости для тонкостенных элементов оборудования и трубопроводов.
В качестве наиболее перспективного рассматривается метод получения характеристик трещиностойкости с использованием небольших образцов с шевронным надрезом. Основными достоинствами этих образцов являются:
- отсутствие процедуры наращивания усталостной трещины;
- простота изготовления;
- возможность применения как к хрупким, так и к вязким материалам;
- меньшая металлоемкость;
- возможность расчета вязкости разрушения по максимальной нагрузке;
- низкая стоимость.
Впервые подобные образцы были испытаны Л. Баркером [13]. Вязкость разрушения для упругого материала вычисляется по формуле:
(2)
где К|с5к - вязкость разрушения на коротких образцах с шевронным надрезом, Па-м1/2;
А - поправочный коэффициент, А= 21.2;
Рс - максимальная нагрузка в ходе испытания, Н;
В- диаметр короткого образца, м.
Позднее, после проведения тарировки по податливости выбранной им формы образцов, формула (2) была преобра-
:(1-мГ
(3)
Рис. 1. Вязкость разрушения как функция толщины
В случае, когда толщина пластины (образца) превышает некоторую величину В5, то в ней возникает плоское деформированное состояние и вязкость разрушения можно приравнять к величине К|с, которая характерна для плоской деформации. Существует такая толщина В0, при которой достигается максимальное значение вязкости. Полагается, что это действительное значение вязкости разрушения в условиях плоской деформации.
При определении вязкости разрушения по стандартной методике ГОСТ 25.506-85 [2] могут возникнуть следующие противоречивые ситуации [12]:
- при использовании пластичных сталей возникает необходимость испытаний образцов, толщины которых превышают толщины конструктивных элементов;
- при экспериментальном определении К|с испытания проводятся на образцах с трещинами, размеры которых существенно превышают допускаемые требованиями дефектоскопического контроля;
- при нарушении условия (1) возникает зависимость К|с от размеров трещин и образцов;
- при уменьшении размеров трещин, пределов текучести
где К|с5к - вязкость разрушения на коротких образцах с шевронным надрезом, Па-м1/2;
А- поправочный коэффициент, А= 20.8 ±1.4; Рс - максимальная нагрузка в ходе испытания, Н; ц - коэффициент Пуассона; В - диаметр короткого образца, м.
Баркер считал, что величина А зависит только от соотношения размеров, т.е. является постоянной величиной для абсолютно подобных образцов.
Рис. 2. Схематическое изображение образцов с шевронным надрезом. а - цилиндрический образец; б - прямоугольный образец
По результатам исследований Американским Обществом по Испытаниям и Материалам (American Society For Testing And Materials, ASTM) разработан стандарт по определению вязкости разрушения на образцах с шевронным надрезом
[14]. В данном стандарте предлагается использование цилиндрических, или прямоугольных образцов квадратного или прямоугольного сечения с отношением длины к диаметру (толщине) (В): W/B=1.45; W/B=2.o (рисунок 2). Разрушение образцов производится с регистрацией диаграммы «нагрузка-смещение берегов трещины».
Для определения величины вязкости разрушения по критической нагрузке предлагается следующая формула:
разца, мз.
KQvM -
PM-Y„
(4)
(6)
M
где Ь - ширина образца, м; t - толщина образца, м; L - длина образца, м.
Необходимое усилие найдем из (5), подставив выражение , W, и соотношение L=4b
bVw ;
где KQvM - условная вязкость разрушения коротких образцов, Па-м1'2;
РМ - максимальная нагрузка испытания, Н;
Y*m- коэффициент минимальной интенсивности напряжений, для образцов c W'b = i.45Y*m = 29.21;
b - диаметр образца, м;
W - длина образца, м.
В целях экспериментальной проверки данных соотношений предлагается испытывать плоские компактные образцы согласно ГОСТ 25.506-85 [2] и короткие образцы с шевронным надрезом [14].
Для определения характеристик трещиностойкости по стандартной методике применяют следующие образцы:
- плоский прямоугольный с центральной трещиной для испытаний на осевое растяжение;
- цилиндрический с кольцевой трещиной для испытаний на осевое растяжение;
- прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний на внецентренное растяжение;
- плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытаний на трехточечный изгиб.
С целью создания благоприятных условий для развития трещин (губительных для изделия) необходимо выбрать такие соотношения размеров образца и параметров надреза, которые позволят обеспечить наибольшее значение коэффициента концентраций напряжений и, следовательно, максимально приблизиться к состоянию плоской деформации в вершине надреза. Все геометрические параметры образцов регламентированы в ГОСТ 25.506-85 [2].
Помимо надреза в образце перед испытанием наводится усталостная трещина. Она инициируется надрезом и развивается вглубь образца от вершины надреза. Надрез выполняют с помощью специальных фрез или шлифовальных кругов. Усталостную трещину выращивают путем переменного на-гружения образца по схеме трехточечного изгиба с коэффициентом асимметрии цикла R=(o.i-o.2) при мягком (a=const) режиме нагружения. Во избежание возникновения пластических деформаций в устье надреза еще до испытаний номинальные напряжения при выращивании трещины не должны превышать предела текучести a < (ao.2'2), что должно обеспечить число циклов для созданий усталостной трещины нужной длины не менее 5-104.
При выборе соответствующего испытательного оборудования, или шкалы на уже выбранной установке, необходимо предварительно определить усилие, которое потребуется для разрушения образца. Условие разрушения при изгибе:
(5)
где Мтах - максимальный изгибающий момент, Н-м;
а - предел прочности материала, Па;
Wz - осевой момент сопротивления живого сечения об-
Р.,,„ >
t(b-L)2 стБ
(7)
Ь 6
Образец с концентратором необходимо разрушать при напряжениях, меньших предела прочности, поэтому ГОСТ 25.506-85 рекомендует в качестве разрушающего считать напряжение, среднее между пределами прочности аВ и текуче-
(8)
Для более разумного использования имеющегося материала, образцы с шевронным надрезом рекомендуется изготавливать из половинок, полученных при разрушении плоских компактных образцов по стандартной методике [2]. Пример выреза цилиндрических заготовок приведен на рисунках з и 4.
Рис. 3. Схематическое изображение выреза цилиндрических заготовок
Рис. 4. Чертеж образца с шевронным надрезом
Заготовки под образцы должны быть вырезаны на небольшом расстоянии от участков пластической деформации, которые образуются при испытании плоских образцов, так как такие участки могут оказать влияние на конечный результат.
В процессе испытаний образцов с шевронным надрезом, при равномерном росте трещины (рисунок 5, а), для определения величины К|у5 (вязкость разрушения при равно-
сти a
TECHNICAL SCIENCE | Juvenis scientia 2016 № 2
31
мерном росте трещины) необходимо проводить процедуру «разгрузка - повторная нагрузка». Как правило, это модель поведения трещины характеризуется, в основном медленно, непрерывно прогрессирующим ростом трещины. Процедура «разгрузка - повторная нагрузка», в данном случае, необходима для обнаружения положения трещины и определения нагрузки, исходя из которой, рассчитывается К|у5. Полученные величины К|у5 можно считать действительными при выполнении следующих условий [14]:
- если реальная поверхность трещины отклоняется от планируемой плоскости, определяемой шевронными углублениями, не более чем на 0.04В, когда ширина фронта трещины составляет 1/3 от В.
- если отношение ДХ (расстояние между двумя линиями разгрузки вдоль усредненной линии нагрузки) и ДХ0 (расстояние между двумя линиями разгрузки вдоль линии нулевой нагрузки) р= ДХ/ДХ0 лежит в интервале - 0.05 < р +0.1;
- если максимальная нагрузка Рм не более 1.1 от критической нагрузки Рс;
- если выполняется соотношение:
В > 1.25(К0„/ао.2)2, (9)
где В - диаметр (толщина) образца, м;
а02 - условный предел текучести, Па;
КСу - условное значение вязкости разрушения в условиях плоской деформации, Па-м1'2.
Таблица 1
Сопоставление значений К!и на образцах с шевронным надрезом с Кк на стандартных компактных образцах
Вязкость разрушения К|с, МПа^м1*2
На компактных плоских образцах, ГОСТ 25.506-85 На образцах с шевронным надрезом, по формуле (3) На образцах с шевронным надрезом, по формуле (4)
48.5-60 по толщине вдоль проката по толщине вдоль проката
53-65 63-79 59-72 72-89
Из данных таблицы видно, что величина вязкости разрушения, определенная по формуле (4), оказалась значительно выше, чем величина, полученная на плоских компактных образцах (отклонение 20-21% для образцов, вырезанных в толщину, и 48-49% - вырезанных поперек проката). Однако при расчете по формулам предложенным Баркером - различие между значениями уменьшилось (8-9% и 30-31% соответственно). С учетом того факта, что величины вязкости разрушения в зависимости от направления проката - различны [10], можно предположить, что значения вязкости разрушения для образцов с шевронным надрезом, найденные по формуле (3), находят удовлетворительную сходимость со значениями, полученными стандартным методом, при А = 19. Графики зависимости между величинами вязкости разрушения К|с, полученными по стандартной методике, и на образцах с шевронным надрезом К|у, вырезанных поперёк и в толщину проката, представлены на рисунке 6.
а - равномерный рост трещины; б - скачкообразный рост трещины Рис. 5. Типичные кривые разрушения
Скачкообразный рост трещины (рисунок 5, б) - это модель случайного распространения трещин, характеризующаяся периодами, в течение которых вершина трещины остается стационарной до тех пор, пока не будет достигнута критическая нагрузка [14]. После чего трещина становится нестабильной и начинает продвигаться до следующего стационарного положения.
В этом случае процедура «разгрузка - повторная нагрузка» применяется с целью определения стационарного положения трещины, при котором происходит следующий скачок. Величина К|у. (вязкость разрушения при скачкообразном росте трещины) вычисляется по критическим нагрузкам, в результате которых возникают скачки трещины.
Значения К|у5 можно считать верными, если выполняются условия 1 и 4.
Подобные исследования проводились и ранее [15]. Для выявления связи между величинами вязкости разрушения, полученными по стандартной методике и на образцах с шевронным надрезом, проводилось разрушение образцов из углеродистой стали обыкновенного качества Ст3сп. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
а) б)
а - ориентация образцов с шевронным надрезом перпендикулярно прокату; б - ориентация образцов с шевронным надрезом поперёк проката
Рисунок 6 - Корреляция значений вязкости разрушения К1с для стандартных образцов и вязкости разрушения Кы образцов с шевронным надрезом
В целях проверки достоверности проведенных исследований [9], представляет интерес апробировать данную методику с применением образцов, изготовленных из других видов сталей, а также для образцов с предварительной циклической наработкой. Положительные результаты исследований могут упростить процедуру получения величин вязкости разрушения для различных видов сталей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Эшби М., Джонс Д. Конструкционные материалы. - М.: Интеллект, 2010. - 672 с.
2. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний материалов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом на-гружении. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 62 с.
3. Щипачев А. М., Мухин В. С. Определение предела выносливости с учетом параметров качества поверхностного слоя // Изв. вузов. Авиационная техника, 1999, №3. С.23-25.
4. Щипачев А. М., Мухин В. С. Модель влияния поверхностного пластического деформирования на усталостную долговечность // Известия вузов. Авиационная техника. 2002. №1. С. 76-77.
5. Щипачев А. М. Модели оценки долговечности при циклическом нагружении с учетом модифицированных поверхностных слоев // Нефтегазовое дело, 2015, т.13, №3, С. 171-175.
6. Щипачев А. М., Пояркова Е. В. Влияние усталостной повреждаемости на твердость и внутреннюю накопленную энергию металла // Вестник УГАТУ, 2007 т. 9, № 6 (24) С. 152-157.
7. Щипачев А. М., Пояркова Е. В. Связь твердости и внутренней накопленной энергии с усталостной повреждаемостью металлов / Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. ст. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. - № 19. С. 27-33.
8. Щипачев А. М., Наумкин Е. А., Бакусов Л. М., Пояркова Е. В. Исследование явления трансформации законов распределения скорости ультразвуковых волн при циклическом нагружении стали 09Г2С // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: сб. науч. статей.- Уфа. Изд. УГНТУ, 2007. № 21. С. 64-69.
9. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на трещиностойкость при ползучести. - М.:В-НИИНМАШ, 1980. - 45 с.
10. МР 170-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний материалов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) сварных соединений при статическом нагружении. - М.:ВНИИНМАШ, 1985. - 52 с.
11. Броек Д. Механика разрушения. - М.: Мир, 1986, - 315 с.
12. Москвичев В. В., Махутов Н. А., Черняев А. П. Трещиностойкость конструкционных материалов технических систем. - Новосибирск: Наука, 2002.- 334 с.
13. Barker L. M. and Baratta F. I. Comparisons of Fracture Toughness Measurements by the Short Rod and ASTM Standard Method of Test for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials (E 399-78) '' Journal of Testing and Evaluation, JTEVA. - Vol. 8. - 1980. - pp. 97102.
14. American Society for Testing and Materials. Standard Test Method for Plain-Strain (Chevron-Notch) Fracture Toughness of Metallic Materials (ASTM E 1304-97) ''Annual book of standards. - Philadelfia: 2005.
15. Рахимкулов, Р. Р. Сопоставление значений величины вязкости разрушения К1с, полученной на образцах с шевронной прорезкой и по стандартной методике для стали СтЗсп ' Р. Р. Рахимкулов '' Нефтегазовое дело. 2010. - №2. С. 59-60.
16. Григорьева А. В. Долговечность и трещиностойкость корпусов цементных печей: дис. канд. техн. наук: 05.04.09 ' Григорьева Аэлита Васильевна. - Брянск, 1991. - 183 с.
Поступила в редакцию 29.01.2016
